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Análise de causa raiz de danos nos rolamentos em turbinas eólicas

nsk turbina hauptrotorlager

Os sintomas de danos nos rolamentos, conhecidos como White Structure Flaking, que ocorrem em turbinas eólicas, bem como em outros sistemas de acionamento, normalmente se tornam perceptíveis muito cedo, bem antes do final da vida útil esperada do rolamento.

As causas permanecem por muito tempo desconhecidas, mas agora, novas descobertas estão sendo disponibilizadas pela NSK, empresa especializada em rolamentos, cujos resultados levaram ao desenvolvimento de um novo material de rolamento que oferece benefícios significativos para a longevidade das turbinas eólicas.

Os componentes de acionamento para turbinas eólicas precisam atender a requisitos rigorosos em termos de durabilidade e resistência, e esses requisitos estão se tornando cada vez mais rigorosos.

Turbinas terrestres tradicionalmente exigem rolamentos que são projetados para durar por uma vida útil de 175,000 horas, o que equivale a 20 anos. No entanto, no mercado em rápida expansão de parques eólicos offshore, onde altos níveis de investimento e difícil acesso ao local são comuns, é necessária uma vida útil de 25 anos.

Maior vida útil, maiores cargas dinâmicas

Com cargas dinâmicas extremas atuando no trem de força de uma turbina eólica, essa exigência representa um desafio real. Em turbinas eólicas terrestres, os mancais principais sofrem cargas de aproximadamente 1 MN. No mar, no entanto, devido às altíssimas velocidades do vento, cargas dinâmicas e estáticas ainda mais fortes agem no rotor e, conseqüentemente, em todo o trem de força.

Ao mesmo tempo, o tamanho e o desempenho dos sistemas em aplicações onshore e offshore crescem continuamente. Atualmente, a NSK fabrica rolamentos para as turbinas 9.5 MW, que em breve estarão em produção em larga escala. Além disso, a empresa está agora desenvolvendo rolamentos para turbinas eólicas offshore com potência nominal ainda maior.

caixa de engrenagens nsk

Com a AWS-TF, a NSK desenvolveu um novo material especialmente para rolamentos de turbinas eólicas

Monitoramento de condição

O maior desempenho e a crescente participação de mercado das turbinas offshore são os principais impulsionadores da crescente demanda por maior tempo de vida útil dos rolamentos. Como resultado, a tecnologia de energia eólica é uma área de aplicação ideal para sistemas de monitoramento de condição on-line, que medem e analisam continuamente as vibrações no sistema de acionamento. Se ocorrer dano ao rolamento, os componentes defeituosos (anel interno ou externo, rolos ou gaiola) podem ser detectados precocemente, analisando o perfil de medição.

Um sistema de monitoramento de condições (CMS) desenvolvido pela NSK foi recentemente instalado em um parque eólico offshore no Japão. O papel do CMS é detectar anomalias suficientemente cedo para facilitar as estratégias de manutenção preditiva. A NSK vê um grande potencial de mercado para soluções desse tipo.

Desenvolvimento intensivo de materiais

No entanto, o monitoramento de condições útil pode ser uma medida secundária em áreas críticas de aplicação, a principal meta de engenharia no desenvolvimento de rolamentos para turbinas eólicas ainda é, e continuará sendo, para garantir um alto nível de confiabilidade. A este respeito, os fabricantes já fizeram avanços consideráveis.

Por exemplo, um importante contribuinte para o progresso tem sido o desenvolvimento de novos materiais e processos de tratamento térmico, como o aço especial Super Tough (STF) da NSK. Os rolamentos feitos com este material duram o dobro do tempo daqueles fabricados com aço convencional. De fato, o aumento de classificação de carga relacionado foi confirmado e certificado em dezembro 2017 pela DNV GL.

As características duradouras do STF foram alcançadas usando uma composição química específica e um processo especial de tratamento térmico. Sintomas típicos de danos, como rachaduras relacionadas à vida de fadiga nas pistas do rolamento causadas por inclusões não metálicas no aço do rolamento, são praticamente eliminados nos rolamentos fabricados usando STF.

Pesquisando as causas da descamação da estrutura branca

Uma questão que ainda aflige a indústria é o tipo de dano conhecido como White Structure Flaking (WSF) ou White Etching Cracks (WEC). No caso de ambos os modos de falha, certas áreas do material sob a pista do rolamento mostram fragilização local. A estrutura frágil não pode suportar o carregamento e, portanto, o núcleo de rachaduras.

Eventualmente, essas rachaduras crescem até a pista e, finalmente, o rolamento falha. É típico que esse tipo de dano apareça relativamente cedo; algum tempo depois que o sistema foi colocado em serviço.

Depois de realizar um ataque picral, essas entidades mostram uma aparência branca e são, portanto, chamadas de estruturas brancas.

áreas de gravura branca

Sintomas de dano a um anel de rolamento de rachaduras brancas

Testes intensivos no departamento de pesquisa e desenvolvimento da NSK foram capazes de replicar o dano e dar algumas hipóteses sobre sua origem. Vários testes de fadiga por contato rolante demonstraram que estruturas brancas são causadas pela penetração de hidrogênio.

Essa penetração de hidrogênio é provavelmente afetada por vários fatores e sua combinação, incluindo deslizamento axial ou circunferencial entre roletes e pistas, eletricidade e certos tipos de lubrificação.

O hidrogênio penetra posteriormente na pista e forma as típicas estruturas de gravação branca que levam a formações de fissuras e, eventualmente, resultam em descamação. Essas rachaduras podem ter vários milímetros de comprimento e se espalhar do interior para a superfície. Testes destrutivos de mancais usados ​​que não mostraram sinais visíveis de danos na superfície demonstraram que áreas de corrosão branca podem até estar presentes aqui.

Quando o dano é examinado em mais detalhes, pode-se observar que, sob a influência do hidrogênio, a microestrutura originalmente martensítica se degrada em uma ferrita quebradiça e muito fina. Esse mecanismo pode ser explicado pela teoria de plasticidade localizada aprimorada por hidrogênio (HELP - Hydrogen Enhanced Localized Plasticity).

Uma de suas características é que a plasticidade ocorre apenas localmente e que a fadiga global do rolamento é pequena, portanto, não é um dos tipos clássicos de danos por fadiga que se originam abaixo da pista (devido à inclusão de partículas não metálicas). ou na pista (devido a contaminação grave).

Comparação de rolamentos novos e usados

Então, de onde vem o hidrogênio? Comparando rolamentos novos e usados, a equipe central de pesquisa da NSK determinou que o hidrogênio só se forma enquanto os mancais estão em operação.

É provável (pelo menos esta é a suposição inicial) que o hidrogênio vem das cadeias de hidrocarbonetos dos lubrificantes e seus aditivos. Esta teoria foi substanciada após os sintomas típicos de danos das estruturas brancas poderem ser reproduzidos em laboratório com certos tipos de óleos e graxas.

Danos semelhantes foram relatados pela indústria automotiva nos 1990s, apoiando ainda mais a teoria. Aqui, os rolamentos dos tensionadores de correia e alternadores falharam prematuramente, mas a troca da graxa e do material da correia resolveu o problema. No entanto, a influência da eletricidade (fluxo de corrente) neste modo de falha ainda não foi determinada.

caixas de engrenagens grandes do rolamento de rolo do nsk

Por mais de 20 anos, a NSK ofereceu um extenso portfólio de rolamentos para turbinas eólicas

Novas ligas, tratamento térmico específico

A NSK desenvolveu novas ligas que proporcionam melhores resultados durante testes de fadiga de contato por laminação. Em testes com carga de hidrogênio, a composição química otimizada levou a um aumento de cinco vezes na resistência do FSM em comparação com os aços convencionais.

Uma melhoria significativa também é alcançada pelo tratamento térmico otimizado. Aqui, o estresse residual sob as pistas pode ser aumentado pela carbonitretação em vez do endurecimento total. Embora esta medida não impeça a formação das estruturas brancas, um número significativamente menor de rachaduras se desenvolve a partir dessas estruturas, e elas se espalham para a superfície mais lentamente.

AWS-TF, um novo material de rolamento

Com base nesses resultados, a NSK introduziu um novo material para rolamentos chamado AWS-TF (AWS significa Anti-White Structure), que combina a composição química otimizada com tratamento térmico otimizado.

Testes mostraram que, embora os rolamentos feitos de AWS-TF não eliminem totalmente o risco de WEC, o atraso antes que o dano apareça é sete vezes maior em comparação com os aços de rolamentos convencionais. Os testes de campo iniciais em locais de instalação críticos estão em andamento e parecem confirmar os resultados desses testes.

Para mais informações, visite www.nskeurope.com

NSK EUROPE LTD

Assinatura: adesão em prata

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