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Analyse des causes profondes des dommages causés aux roulements dans les éoliennes

nsk turbine hauptrotorlager

Les symptômes d'endommagement des roulements, connus sous le nom d'écaillage de la structure blanche, qui se produisent dans les éoliennes ainsi que dans d'autres systèmes d'entraînement, se manifestent généralement très tôt, bien avant la fin de la durée de vie prévue du roulement.

Les causes en sont restées longtemps inconnues, mais le spécialiste NSK, spécialiste des roulements, fournit maintenant de nouvelles informations. Ces résultats ont permis la mise au point d'un nouveau matériau de roulement offrant des avantages significatifs pour la longévité des éoliennes.

Les composants d'entraînement des éoliennes doivent répondre à des exigences strictes en termes de durabilité et de résistance, exigences de plus en plus strictes.

Les turbines terrestres ont traditionnellement besoin de roulements conçus pour une durée de vie de 175,000, équivalant à 20 années. Toutefois, sur le marché en pleine expansion des parcs éoliens en mer, où les investissements sont importants et l’accès difficile à la localisation sont courants, une durée de vie de 25 est nécessaire.

Durée de vie plus longue, charges dynamiques plus élevées

Avec des charges dynamiques extrêmes agissant sur la chaîne cinématique d'une éolienne, cette exigence représente un véritable défi. Dans les éoliennes terrestres, les roulements principaux subissent des charges d'environ 1 MN. En mer, toutefois, en raison de la vitesse du vent très élevée, des charges statiques et dynamiques encore plus fortes agissent sur le rotor et, par conséquent, sur l'ensemble de la transmission.

Dans le même temps, la taille et les performances des systèmes dans les applications onshore et offshore augmentent sans cesse. NSK fabrique actuellement des roulements pour les turbines 9.5 MW, qui seront bientôt en production à grande échelle. De plus, la société développe actuellement des roulements pour éoliennes en mer avec une puissance de sortie nominale encore plus élevée.

boîte de vitesses nsk

NSK a développé avec AWS-TF un nouveau matériau spécialement destiné aux roulements d’éoliennes

Surveillance de l'état

Les performances accrues et la part croissante des turbines offshore sur le marché sont les principaux moteurs de la demande croissante de durée de vie des roulements. En conséquence, la technologie de l'énergie éolienne est un domaine d'application idéal pour les systèmes de surveillance de l'état en ligne, qui mesurent et analysent en continu les vibrations dans le système d'entraînement. En cas de détérioration des roulements, les composants défectueux (bague intérieure ou extérieure, rouleaux ou cage) peuvent être détectés rapidement en analysant le profil de mesure.

Un système de surveillance des conditions mis au point par NSK a récemment été installé sur un parc éolien offshore au Japon. Le rôle du système de gestion de contenu est de détecter les anomalies suffisamment tôt pour faciliter les stratégies de maintenance prédictive. NSK voit un grand potentiel de marché pour des solutions de ce type.

Développement intensif des matériaux

Même si la surveillance des conditions peut être utile en tant que mesure secondaire dans des domaines d’application critiques, le principal objectif de l’ingénierie lors du développement de roulements pour éoliennes est toujours, et restera, d’assurer un haut niveau de fiabilité. À cet égard, les fabricants ont déjà réalisé des progrès considérables.

Par exemple, le développement de nouveaux matériaux et procédés de traitement thermique, tels que l’acier spécial Super Tough (STF) exclusif de NSK, a fortement contribué aux progrès. Les roulements fabriqués à partir de ce matériau durent deux fois plus longtemps que ceux fabriqués en acier conventionnel. En fait, l'augmentation de la charge correspondante a été confirmée et certifiée en décembre 2017 par DNV GL.

Les caractéristiques durables de STF ont été obtenues en utilisant une composition chimique particulière et un procédé de traitement thermique spécial. Les symptômes typiques de dommages, tels que les fissures liées à la résistance à la fatigue dans les chemins de roulement des roulements, causés par des inclusions non métalliques dans l'acier du roulement, sont pratiquement éliminés dans les roulements fabriqués avec du STF.

Recherche des causes de l'écaillement de la structure blanche

L’un des problèmes qui préoccupe toujours l’industrie est le type de dommage connu sous le nom de White Structure Flaking (WSF) ou White Etching Cracks (WEC). Dans le cas des deux modes de défaillance, certaines zones du matériau sous le chemin de roulement du palier présentent une fragilisation locale. La structure fragile ne peut pas supporter le chargement et constitue donc le noyau des fissures.

Ces fissures finissent par atteindre le chemin de roulement et le roulement échoue. Il est typique que ce type de dommage apparaisse relativement tôt; peu de temps après la mise en service du système.

Après avoir effectué une gravure picral, ces entités présentent un aspect blanc et sont donc appelées structures blanches.

zones de gravure blanche

Symptômes des dommages causés à un anneau par des fissures de gravure blanche

Des tests intensifs menés dans le département de recherche et développement de NSK ont permis de reproduire le dommage et de donner quelques hypothèses sur son origine. Divers essais de fatigue par contact de roulement ont démontré que les structures blanches sont causées par la pénétration d'hydrogène.

Plusieurs facteurs et leurs combinaisons ont probablement une incidence sur cette pénétration de l’hydrogène, notamment le glissement axial ou circonférentiel entre les rouleaux et les chemins de roulement, l’électricité et certains types de lubrification.

L'hydrogène pénètre ensuite dans le chemin de roulement et forme les structures de gravure blanche typiques qui conduisent à la formation de fissures et aboutissent éventuellement à une desquamation. Ces fissures peuvent atteindre plusieurs millimètres de long et s'étendre de l'intérieur vers la surface. Des tests destructifs de roulements usés ne présentant aucun signe visible de dommages superficiels ont démontré que des zones de gravure blanche peuvent même être présentes ici.

Lorsque les dommages sont examinés plus en détail, on peut constater que sous l'influence de l'hydrogène, la microstructure initialement martensitique se dégrade en une ferrite fragile à grain très fin. Ce mécanisme peut être expliqué par la théorie de la plasticité localisée améliorée de l'hydrogène (HELP).

L'une de ses caractéristiques est que la plasticité ne se produit que localement et que la fatigue globale du roulement est faible; il ne s'agit donc pas d'un des types de dommages de fatigue classiques qui proviennent non plus du chemin de roulement (en raison de l'inclusion de particules non métalliques). ou dans le chemin de roulement (en raison d'une contamination grave).

Comparaison des roulements neufs et usagés

Alors, d'où vient l'hydrogène? En comparant les roulements neufs et usagés, l’équipe de recherche centrale de NSK a déterminé que l’hydrogène ne se forme que pendant le fonctionnement des roulements.

Il est probable (du moins c'est la supposition initiale) que l'hydrogène provient des chaînes d'hydrocarbures des lubrifiants et de leurs additifs. Cette théorie a été confirmée après que les symptômes de dommages typiques des structures blanches aient pu être reproduits en laboratoire avec certains types d’huiles et de graisses.

Des dommages similaires ont été signalés par l’industrie automobile dans les 1990, étayant davantage la théorie. Ici, les roulements des tendeurs de courroie et des alternateurs ont lâché prématurément, mais le changement de graisse et le matériau de la courroie ont résolu le problème. Cependant, l'influence de l'électricité (flux de courant) sur ce mode de défaillance n'a pas encore été déterminée.

nsk grand roulement à engrenages

NSK propose depuis plus de 20 une vaste gamme de roulements pour éoliennes

Nouveaux alliages, traitement thermique spécifique

NSK a mis au point de nouveaux alliages qui donnent de meilleurs résultats lors des essais de fatigue par contact de roulement. Lors des tests de charge en hydrogène, la composition chimique optimisée a permis de multiplier par cinq la résistance au WSF par rapport aux aciers pour roulements traditionnels.

Une amélioration significative est également obtenue par un traitement thermique optimisé. Ici, les contraintes résiduelles sous les chemins de roulement peuvent être augmentées par carbonitruration au lieu de durcissement total. Bien que cette mesure n'empêche pas la formation de structures blanches, ces fissures se développent nettement moins et elles se propagent plus lentement à la surface.

AWS-TF, un nouveau matériau de roulement

Sur la base de ces résultats, NSK a introduit un nouveau matériau pour roulements appelé AWS-TF (AWS signifie Anti-White Structure), qui combine la composition chimique optimisée à un traitement thermique optimisé.

Des essais ont montré que, même si les roulements fabriqués en AWS-TF n'éliminent pas totalement le risque de WEC, le délai d'apparition des dommages est sept fois plus long par rapport aux aciers à roulement traditionnels. Les premiers tests sur le terrain sur des sites d’installation critiques sont en cours et semblent confirmer ces résultats.

Pour plus d'informations, visitez le site www.nskeurope.com

NSK EUROPE LTD

Signature: adhésion Silver

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