Black oxide-coated bearings

Så kan svartoxiderade lager kapa drift- och underhållskostnaderna för vindkraftverk

Vindkraftbolagen är ständigt på jakt efter sätt att sänka kostnaderna för turbindriften. Svartoxiderade lager är en lösning. SKF erbjuder en förbättrad svartoxideringsprocess för lager till både nya och befintliga anläggningar.

Författare: Kenred Stadler, SKFs programchef vid utvecklings­centret för förnybar energi, Schweinfurt, Tyskland

Cylindriska rullager Konstruktion El-, gas- och vattenförsörjning Smörjmedel Maskiner och inventarier Tillförlitlighet Forskning & teori Koniska rullager

Sammandrag

Vindkraftverk uppförs allt oftare i tuffa miljöer. Tillverkare och operatörer är pressade att försöka minimera drift- och underhållskostnaderna samtidigt som de ökar utrustningens tillgänglighet. SKF bidrar till förbättrade turbinprestanda genom sin egenutvecklade svartoxideringsprocess, som ger extra skydd för lager som används i viktiga komponenter i denna utmanande bransch.

Relaterade länkar

Black oxide

Drift och underhåll kan stå för en betydande del av kostnaderna för ett vindkraftverk, upp till 25 procent sett över en maskins hela livscykel1. Därför är både tillverkare och underhållsleverantörer angelägna om att hitta teknik som minskar underhållsbehov och stilleståndstid. Det är mot denna bakgrund som SKF lanserar en ytbehandlingsteknik baserad på en förbättrad svartoxideringsprocess för lager i vindturbiner.

Svartoxiderade lager kan ersätta konventionella komponenter i samband med turbinunderhåll. De kan även specificeras för nya anläggningar. Detta innebär att fördelarna med svartoxidering kan tillämpas inom hela vindkraftsindustrin.

Som globalt verkstadsföretag och ledande leverantör av lager till vindkraftsindustrin har SKF lång erfarenhet av vindturbiner – från lagerkonstruktion till ett brett utbud av tjänster inom tillstånds­övervakning, smörjsystem, anläggningsoptimering och förrådsstyrning. Under företagets mångåriga engagemang i vindkraftsindustrin har SKF identifierat ett antal möjligheter att förbättra driftsäkerheten genom nya produkter och processer. Ett exempel är den specialanpassade svartoxideringen. Det är en ytpåverkande process som ger betydande prestandaförbättringar till måttlig kostnad.

Ökande krav på installationer
Vindkraftverk utsätts för stora variationer i temperatur, varvtal och belastning. Detta – i kombination med föroreningar, fukt och kemiska effekter på grund av oljor med AW-tillsatser – innebär att lagrens brukbarhetstid kan förkortas avsevärt om inte förebyggande åtgärder vidtas. I och med att vindkraftverken har vuxit i storlek och kapacitet ställs också tuffare krav på viktiga system som växlar.

Den svartoxideringsprocess som SKF använder erbjuder förbättrat skydd mot skador på lagerkomponenter, särskilt under de försvårade förhållanden som övergången från land- till havsinstallation har medfört. Lösningen lämpar sig för installationer i allt mer krävande miljöer runt om i världen.

Skade- och felfrekvensen på växlar i vindkraftverk varierar en del beroende på källan till publicerade data. Dock har ett riktmärke rapporterats av den EU-finansierade studien Reliawind, som anger omkring 6 procent per år. Studien citerar också offentligt tillgängliga uppgifter om felfrekvens och stilleståndstid, publicerade av tillförlitliga källor som tyska Landwirtschaftskammer i Schleswig-Holstein, och Wissenschaftliches Mess- und Evaluierungsprogramm inom Fraunhofer Institute i Kassel, Tyskland – med en rapporterad felfrekvens på cirka 10 procent. Även om dessa siffror kan betraktas som låga jämfört med andra orsaker till haverier i fält, till exempel elektri­ska system, kan konsekvenserna av sådana fel vara omfattande. Skador och fel i mekaniska drivlinor ger upphov till höga kostnader på grund av långa driftstopp.

Som exempel kan nämnas att ett lagerhaveri i en landbaserad turbin kan medföra reparationskostnader i storleksordningen tusentals euro, om lagret måste bytas uppe i tornet. Men om ett planetlager havererar måste hela växeln bytas, och den notan kan lätt landa på hundra-tusentals euro när alla kostnader har vägts in.

De huvudsakliga skademekanismerna
Flera olika typer av skador kan lindras genom svartoxidering av lagerkomponenter som ringar och rullar. Vanligen kan skadorna hänföras till kategorier som sprickor, glidning (smetning) och ytskador, liksom miljöinverkan som fukt och kemiska angrepp.

1. Sprickor
Många förtida skador på vindturbinväxlar beror på en felmekanism som inte liknar den klassiska rullkontaktutmattningen (RCF – rolling contact fatigue). De klassiska mekanismerna är utmattning initierad under ytan och på ytan, och kan förutses med standardiserad lagerlivslängdsberäkning. Däremot omfattas inte haverier på grund av förtida vitetsningssprickor (WEC – white etching cracks) som tenderar att uppstå i vindturbinlager (fig 1a). Vitetsning avser den förändrade mikrostruktur som uppstår när en mikrosektion poleras och etsas. Haverier kan uppstå på flera platser, som planetlager, mellanaxel och högvarvsaxellager.

Förtida haverier på grund av vitetsning diskuteras intensivt inom vindkraftsindustrin. Fenomenet undersöks av vindturbintillverkare, växeltillverkare och lagerleverantörer, liksom av universitet och oberoende institut. Aktuella hypoteser är inriktade på antingen vätgasförstärkt WEC-utveckling eller ren belastnings-/spänningsrelaterad WEC-utveckling, framför allt vid inneslutningar och på ytan, eller kombinationer av dessa.

2. Smetning (vidhäftande slitage)
I lätt belastade rullager kan ren glidning mellan rullkroppar och innerring uppstå när det råder stor skillnad mellan innerringens och rullsatsens varvtal. För krävande tillämpningar som högvarvsaxlar i vindturbinväxlar kan drift i svag vind och ändring av belastningszon öka risken för glidning. I radiellt belastade rullager är den mest kritiska zonen, där glidning kan uppstå, rullarnas ingång till den belastade zonen. Under rotation retarderas rullarna i lagrets obelastade zon på grund av friktion, och accelereras sedan plötsligt när de åter kommer in i den belastade zonen. Dessa förhållanden kan orsaka smetning (fig 1b). Mikrostrukturen hos rullar och löpbanor förändras, och detta resulterar i lokala spänningar som slutligen orsakar skalning och lagerhaveri. I cylindriska fullrullager hinner inte alltid en separerande smörjfilm bildas mellan rullarnas kontaktytor, eftersom hastighetsskillnaden är så stor mellan de motgående ytorna. Tunnfilmsförhållanden, och till och med blandförhållanden vid höga kontakttryck mellan rullar, leder till metallisk kontakt mellan angränsande rullar. Detta ökar friktionen och kan leda till smetning och ytskador.

3. Ytskador/mikroskalning
Många maskinelement med rull- och glidkontakter (till exempel rullningslager, kugghjul och kamföljare) kan drabbas av olika typer av skador. Bland dessa kan nämnas lättare nötning och mikroskalning. Ytskador eller mikroskalning uppstår när oljefilmen är otillräcklig för att separera de rörliga ytorna. Det är en form av lokala ytskador som uppstår på både kuggar och i lager. Fenomenet är vanligt förekommande i växlar till vindturbiner. Kuggar brukar oftare drabbas än lager. Icke desto mindre, om skadan uppstår i lager kan det vara mycket skadligt för lagerfunktionen. Det förändrar geometrin hos rullar och löpbanor, ökar det inre glappet och leder till lokala spänningar som förr eller senare orsakar skalning och lagerhaveri (fig 1c). Vatten som tränger in i vindturbinväxlar kan också vara en bidragande faktor.

4. Fuktkorrosion
Vattenhalten i växeloljan underskattas ofta. De stora temperaturvariationerna i kombination med hög vattenmättnad (beroende på oljetyp) medför risk för ”fritt vatten” och korrosion vid stillestånd (fig 1d). Riskerna för lagringen på grund av fritt vatten är väl kända, medan risken för olika nivåer av vatten löst i växeloljan fortfarande är oklar. SKFs undersökningar visar en negativ inverkan på lagerprestanda så snart en viss mängd löst vatten är närvarande.

5. Nötningskorrosion
När kontaktytorna på axeln (innerringshål – axelsäte) eller i lagerhuset (ytterringens mantel­yta – lagerläge) utsätts för mikrorörelser under varierande belastning kan det naturligt bildade oxidskiktet på stålytorna nötas bort. Vidare kan ytojämnheter korrodera och slitas av. Resulterande lösa partiklar fångas i kontakten, och om det samtidigt finns oxiderande agenter (som fukt) närvarande inträder ytterligare korrosion på ytan (fig 1e). Under belastning korroderar den inneslutna luften och fukten ytan ytterligare, vilket ibland kan leda till att ännu fler partiklar lossnar. Partiklarna verkar som slip­medel, minskar den fasta passningen och ger risk föratt ringen vandrar.

I värsta fall (om korrosionspartiklar förblir fångade vid lagersätet) kan det uppstå genomgående sprickor i lagerringen av för hög lokal spänning.

 

 

SKFs svartoxideringsprocess 
För alla dessa potentiella skade­orsaker erbjuder en special­utvecklad svartoxidbeläggning på lagrens funktionsytor gott skydd. Skiktet tillför positiva egen­skaper till lagerfunktionen, som en förbättrad inkörningsfas. Resultatet är förbättrade ytegenskaper efter inkörningen, höjda prestanda under bristande smörjförhållanden (lågt κ-värde), bättre smörjmedelsvidhäftning och större motstånds­kraft mot smetning. Risken för nötning, mikroskalning och sprickbildning kan minskas. Dessutom erbjuder det svarta oxidskiktet ett visst korrosionsskydd och större kemisk motståndskraft än obehandlade ytor. Det begränsade korrosionsskyddet från svartoxiden är tillräckligt för att motverka stilleståndskorrosion och nötningskorrosion, och den kemiska motståndskraften minskar skadlig inverkan från aggressiva oljekomponenter. Beläggningen förbättrar friktionsegenskaperna och minskar slitaget, särskilt under blandade smörjförhållanden. Nya forsknings- och utvecklingsresultat tyder på att svartoxid fungerar som en barriär mot att väte tränger in i stålet.

För att ge perspektiv på den potentiella förbättringen i felfrekvens, har en tillverkare av vindturbinväxlar rapporterat en felfrekvens på mellan 40 och 70 procent efter två års drift av 1 000 standardmässiga cylindriska rullager i en växelinbyggnad. Därefter, i en grupp på 1 150 svart­oxiderade cylindriska rullager i liknande inbyggnader, uppmättes felfrekvensen till 0,1 procent under samma period2.

Sammanfattningsvis, i jämförelse med obehandlade lager erbjuds följande fördelar med svartoxiderade lager från SKF i vindturbinväxlar (fig 4):

  • bättre inkörningsegenskaper
  • bättre korrosionsmotstånd
  • större motstånd mot smetningsskador
  • bättre prestanda under bristande smörjförhållanden
  • bättre vidhäftning av olja och fett
  • minskning av kemiska angrepp på lagerstålet från aggressiva oljetillsatser
  • minskad väteinträngning i lagerstålet
  • minskad risk för nötningskorrosion mellan kontaktytor.

Med mer än 50 000 svartoxiderade lager installerade har SKF samlat goda bevis för att denna kostnads­effektiva process kan leverera betydande prestandaförbättringar för vindkraftsindustrin, minska antalet förtida haverier och därmed bidra till lägre totala drift- och underhållskostnader.

 

Svartoxideringens kemiska process
Svartoxidering är en ytbehandling som baseras på en kemisk reaktion vid ytskiktet på komponenter i lagerstål. Komponenterna sänks ner i en alkalisk saltlösning i vatten vid cirka 150 °C. Reaktionen mellan järnet i järnlegeringen och reagenten alstrar ett oxidskikt på den yttre ytan av lagerkomponenten. Skiktet består av en väldefinierad blandning av FeO, Fe2O3, vilket resulterar i Fe3O4. Ett mörkt ytskikt bildas, 1−2 μm tjockt.

Fördelarna med svartoxidering måste bedömas för den enskilda inbyggnaden, men ingen negativ verkan av denna behandling har hittills upptäckts. Metoden har med framgång tillämpats på lagerinbyggnader i andra branscher med särskilda utmaningar, som pappersmaskincylindrar, verktygsmaskiner och industrifläktar.

Svartoxidering involverar en mängd parametrar. Den totala processen består av cirka 15 doppningar. I många av dessa är det möjligt att variera den kemiska sammansättningen, koncentration, temperatur, nedsänkningstid och vätskerörelse i tankarna.

SKF har forskat intensivt på denna process sedan 2006 för att definiera optimala specifikationer, och för att utvidga den till stora lager. För att ge optimalt resultat är SKFs svartoxideringsprocess utvecklad och individuellt anpassad för varje enskild lagertyp och tillämpning. Processen kan tillämpas på lager av många storlekar som förekommer i vindturbiner – för närvarande upp till 2,2 meters ytterdiameter och med vikt hos enskilda komponenter upp till 1 000 kg. Behandlingsmetoden samt storleks- och viktsortiment är SKFs egendom.

SKF rekommenderar att både inner- och ytterringar samt rullkroppar beläggs för att nå bästa prestan­da. Svartoxidering kan tillämpas på alla lagertyper som förekommer i större vindturbinsystem. Särskilt goda resultat har nåtts med cylindriska och koniska rullager, som har tagits i drift under de senaste åren (fig 2 och 3).

SKFs svartoxideringsprocess är noggrant specificerad och övervakad. Den resulterar i högkvalitativa lager som kan köpas via SKFs globala nätverk. Svartoxiderade lager är därmed tillgängliga för vindturbinbyggare, slutanvändare och tjänsteleverantörer över hela världen.

 

 Figur 1: Typer av lagerskador som kan förekomma i vindturbinväxlar:

a) sprickor/skalning

b) glidskador/smetning

c) ytskador/mikroskalning

d) fukt/stilleståndskorrosion på en löpbana

e) nötningskorrosion i hålet i en innerring.

 

 

 

Noter
1. För en ny turbin, kan drift- och underhållskostnaderna uppgå till 20−25 % av den totala utjämnade kostnaden per producerad kWh under turbinens hela livscykel. Om turbinen är ganska ny kan den an­delen ligga på 10−15 %, men öka till minst 20−35 % mot slutet av turbinens livslängd. Siffrorna kommer från Wind Energy – The Facts (WindFacts), ett europeiskt projekt som finansieras av Intelligent Energy, Europa­programmet inom Executive Agency for Competitiveness and Innovation.
2. J Luyckx, Hammering Wear Impact Fatigue Hypothesis WEC/irWEA failure mode on roller bearings, NREL workshop, Broomfield, Colorado, USA, november 2011.

 

Relaterat innehåll