Orsaksanalys av lagerskador i vindkraftverk
Ett problem som fortfarande påverkar vindenergibranschen är en typ av skada som kallas White Structure Flaking, WSF, eller White Etching Cracks, WEC. Båda felen visar att vissa delar av materialet under lagrets rullbana har lokal sprödhet.
Den spröda strukturen kan inte motstå belastningen och är därmed orsaken till sprickor. Så småningom växer dessa sprickor upp till rullbanan och slutligen havererar lagret. Det är typiskt för denna typ av skada att den uppträder relativt tidigt; någon gång strax efter att systemet har tagits i bruk.
Intensiva tester i lagerspecialisten NSK:s forsknings- och utvecklingsavdelning har återskapat skadorna och kunnat ge en viss hypotes om dess ursprung. Olika utmattningstester på rullbanorna har visat att vita strukturer orsakas av vätepenetration.
Denna vätepenetration påverkas sannolikt av flera faktorer och deras kombination, inklusive axiell eller periferisk glidning mellan rullar och löpbanor, elektricitet och vissa typer av smörjning.
Väte tränger därefter in i rullbanan och bildar de typiska vita etsningsstrukturerna som leder till sprickbildning och så småningom resulterar i flagning. Dessa sprickor kan vara flera millimeter långa och sprida sig från insidan ut till ytan.
Destruktiva tester av använda lager som inte visade några tecken på ytskador visade att vita etsningsområden även kan vara närvarande här. När skadan undersöks mer detaljerat kan det observeras att under inverkan av väte bryts den ursprungligen martensitiska mikrostrukturen ned i en mycket finkornig, spröd ferrit.
Denna mekanism kan förklaras av HELP-teorin, Hydrogen Enhanced Localized Plasticity. En av dess egenskaper är att plastisitet endast uppträder lokalt och att lagrets globala utmattning är liten. Så det är inte en av de klassiska typerna av utmattningsskador som kommer antingen under rullbanan (på grund av införandet av icke metalliska partiklar) eller i rullbanan (på grund av allvarlig kontaminering). Var kommer då vätet från?
Genom att jämföra nya och använda lager kunde NSK:s centrala forskningsgrupp visa att väte endast bildas medan lagren är i drift. Det är sannolikt, åtminstone enligt det ursprungliga antagandet, att väte kommer från kolvätekedjorna i smörjmedel och dess tillsatser. Denna teori underbyggdes efter att typiska skademässiga symptom på de vita strukturerna kunde återskapas i laboratoriet med vissa typer av oljor och fetter.
Liknande skador rapporterades av bilindustrin på 1990-talet, vilket ytterligare stödjer teorin. Här havererade lagren i bältesspännare och generatorer för tidigt. Byte av fett och bältesmaterial löste dock problemet. Emellertid har påverkan av elektricitet (strömflöde) på detta fel ännu inte fastställts.
NSK har utvecklat nya legeringar som ger bättre resultat vid utmattningstester vid rullande kontakt. I test med väteladdning ledde den optimerade kemiska kompositionen till en femfaldig ökning i WSF-resistans jämfört med konventionella lagerstål.
En signifikant förbättring uppnås också genom optimerad värmebehandling. Här kan resterande stress under löpbanorna ökas genom karbonitriding istället för genomhärdning. Även om denna åtgärd inte hindrar bildandet av de vita strukturerna utvecklas betydligt färre sprickor från dessa strukturer, och de sprider sig långsammare till ytan.
Baserat på dessa resultat introducerade NSK ett nytt lagermaterial som heter AWS-TF. AWS står för Anti-White Structure, som kombinerar den optimerade kemiska kompositionen med optimal värmebehandling.
Tester har visat att även om lager av AWS-TF inte helt eliminerar risken för WEC är fördröjningen före skada sju gånger längre jämfört med konventionella lagerstål. Initiala fälttester i kritiska installationer pågår och verkar bekräfta testresultaten.