Quali sono le cause più comuni di guasto dei pezzi forgiati dei riduttori delle turbine eoliche?

Le cause più comuni di fallimento in Forgiati del cambio della turbina eolica sono affaticamento del materiale, difetti di inclusione nel sottosuolo, trattamento termico inadeguato, concentrazioni di stress indotte da disallineamento e rottura della lubrificazione . Gli studi del National Renewable Energy Laboratory (NREL) mostrano che i guasti al cambio rappresentano circa 20% dei tempi di fermo delle turbine eoliche , rendendoli la principale fonte di costi di manutenzione non pianificata nel settore. Comprendere le cause profonde a livello di forgiatura e di materiali è il percorso più efficace per prevenire guasti prematuri.

Fatica dei materiali: la principale modalità di guasto meccanico

La fatica è responsabile della maggior parte dei guasti alla forgiatura degli ingranaggi nelle turbine eoliche in funzione. A differenza del sovraccarico statico, i danni da fatica si accumulano in modo invisibile nel corso di milioni di cicli di carico prima che una fessura si propaghi alla superficie.

Come inizia la fatica nei pezzi fucinati

Nelle corone dentate del cambio, nei portasatelliti e negli alberi di uscita, i carichi ciclici di flessione e torsione creano microfessure nei punti di concentrazione delle sollecitazioni come sedi di chiavetta, raccordi e intersezioni trasversali. Secondo un’analisi del 2019 pubblicata su Energia eolica (Wiley), oltre il 60% dei guasti ai denti degli ingranaggi nei riduttori delle turbine eoliche hanno origine da cricche da fatica che hanno avuto inizio in corrispondenza o appena al di sotto della superficie di contatto.

Lo spettro di carico variabile aggrava la fatica

Le turbine eoliche presentano spettri di carico altamente irregolari. Raffiche, turbolenze e cicli start-stop fanno sì che i componenti del cambio raramente vedano un carico stazionario. Questo carico ad ampiezza variabile accelera l'accumulo di danni da fatica rispetto alle condizioni di test di laboratorio ad ampiezza costante, motivo per cui molte valutazioni di fatica standard sottostimano la durata di esercizio reale.

Inclusioni del sottosuolo e difetti interni

Anche una forgiatura di alta qualità può contenere difetti interni che fungono da siti di inizio per la fessurazione prematura. Le più problematiche sono le inclusioni non metalliche – ossidi, solfuri e silicati – introdotte durante la produzione dell’acciaio o trattenute attraverso lavorazioni inadeguate.

Tipi di inclusione e loro effetti

Fonte: ASM Internazionale, Analisi dei guasti di componenti in acciaio trattato termicamente , 2008.

Per i pezzi fucinati di grandi ingranaggi – i portasatelliti che pesano oltre 2.000 kg sono comuni nelle turbine da 3 MW – lo sfaldamento indotto dall’idrogeno rappresenta un rischio particolarmente serio se le procedure di raffreddamento lento o ricottura post-forgiatura non vengono seguite rigorosamente.

Trattamento termico inadeguato e guasti all'indurimento della cassa

I pezzi forgiati dei riduttori devono raggiungere un equilibrio preciso tra uno strato superficiale duro e resistente all'usura e un nucleo tenace e duttile. Quando il trattamento termico è scarsamente controllato, questo equilibrio viene perso e si verificano rapidamente guasti durante il servizio.

Errori comuni nel trattamento termico

• Profondità della cassa insufficiente negli ingranaggi carburati o nitrurati, con conseguente rottura per fatica della sottocassa
• Indurimento non uniforme dovuto ad un'agitazione di raffreddamento inadeguata, che lascia punti deboli nella forgiatura
• Decarburazione dello strato superficiale durante la forgiatura o la normalizzazione, riducendo la resistenza alla fatica superficiale fino a 30% (Fonte: AGMA 923-B05, Specifiche metallurgiche per ingranaggi in acciaio)
• Estingui le fessurazioni dovute a gradienti termici eccessivi nei componenti a sezione spessa
• Austenite mantenuta al di sopra delle soglie accettabili, che si trasforma sotto stress di servizio e provoca instabilità dimensionale

Per le corone dentate dei riduttori delle turbine eoliche, che possono avere spessori delle pareti superiori a 150 mm, per ottenere una tempra completa uniforme sono necessari gradi di acciaio accuratamente selezionati con adeguata temprabilità (tipicamente 18CrNiMo7-6 o 20MnCr5) e mezzi di raffreddamento e profili di temperatura controllati con precisione.

Difetti della linea di flusso di forgiatura e struttura del grano scadente

Le proprietà meccaniche della forgiatura di un cambio finito sono determinate direttamente dal flusso interno di grano creato durante il processo di forgiatura. Stampi di forgiatura mal progettati o rapporti di riduzione errati possono creare difetti che rimangono nascosti fino a quando il componente non si guasta in servizio.

Principali difetti strutturali derivanti dalla pratica di forgiatura

• Giri e chiusure a freddo: Si forma quando il metallo si ripiega su se stesso durante il riempimento dello stampo, creando una cucitura che funge da fessura preesistente
• Difetti di flusso: Si verifica quando il materiale scorre in modo errato attorno ai nuclei o ai mandrini, interrompendo la continuità del grano
• Fasce a grana grossa: Risultato di un'insufficiente riduzione della lavorazione a caldo o di un riscaldamento superiore alla temperatura di ingrossamento del grano, che riduce la resilienza fino al 40% rispetto alle microstrutture a grana fine (Fonte: standard granulometrici ASTM E112 e dati di forgiatura del settore)
• Linee centrali di segregazione: Nella forgiatura di alberi di grande diametro, la segregazione della lega dal lingotto originale può persistere anche dopo la forgiatura, creando zone di diversa durezza e resistenza alla fatica

I produttori di alta qualità affrontano questi rischi attraverso una progettazione rigorosa del processo, compresi adeguati rapporti di riduzione della forgiatura (in genere una riduzione minima di 4:1 dal lingotto), temperature di riscaldamento controllate e test a ultrasuoni obbligatori (UT) di tutti i pezzi forgiati finiti secondo standard come EN 10228-3 o ASTM A388.

Mancata lubrificazione e sua connessione con la qualità della superficie di forgiatura

La mancata lubrificazione viene spesso trattata come un problema puramente operativo, ma la finitura superficiale e l'accuratezza dimensionale dei forgiati del cambio determinano direttamente la qualità del mantenimento del film lubrificante sotto carico.

Come le condizioni della superficie accelerano l'usura

Le superfici di forgiatura ruvide o irregolari, anche dopo la lavorazione, creano pressioni di contatto ad elevata asperità che perforano il film lubrificante elastoidrodinamico (EHL). Una volta che si verifica il contatto metallo-metallo, la temperatura superficiale nei punti di microcontatto può superare 300 gradi C localmente (Fonte: Tribology International, Vol. 44, 2011), portando a microsaldature, sfregamento e rapido affaticamento superficiale noto come micropitting.

Il Gearbox Reliability Collaborative (GRC) di NREL ha identificato il micropitting sui denti degli ingranaggi planetari e centrali come modalità di danno principale nei riduttori restituiti sul campo, con valori di rugosità superficiale superiori a Ra 0,4 micron che aumentano significativamente il rischio di micropitting anche con la corretta viscosità del lubrificante.

Contaminazione del lubrificante dovuta ai residui di forgiatura

Incrostazioni, particelle di ossido o residui di granigliatura lasciati nelle cavità interne delle scatole del cambio o degli alberi cavi possono circolare nell'olio di servizio, causando un'usura abrasiva di tre corpi che danneggia le piste dei cuscinetti e i fianchi degli ingranaggi molto più velocemente di quanto previsto dalle previsioni di progettazione.

Disallineamento e concentrazioni di stress indotte dall'assemblaggio

Anche un cambio forgiato perfettamente realizzato può guastarsi prematuramente se il cambio non viene assemblato correttamente o se il disallineamento della trasmissione trasmette momenti flettenti inaspettati alla scatola del cambio e agli alberi.

Fonti di disallineamento nelle trasmissioni delle turbine eoliche

• Usura del cuscinetto principale che consente la flessione dell'albero del rotore che carica asimmetricamente l'albero di ingresso del cambio
• Cedimenti della torre o distorsione della base della gondola che comportano un disallineamento angolare tra la scatola del cambio e il generatore
• Installazione errata della boccola del braccio di reazione, concentrazione delle forze di reazione in punti specifici sulla forgiatura della scatola del cambio
• Disallineamento del foro del portasatelliti eccessivo 0,05 mm , che scarica alcuni ingranaggi planetari sovraccaricandone altri - un noto fattore che contribuisce a guasti prematuri degli ingranaggi planetari e dei cuscinetti (Fonte: GL Garrad Hassan Wind Turbine Technology, 2012)

Corrosione e degrado ambientale

Le turbine eoliche offshore e costiere espongono i componenti del cambio a umidità, nebbia salina e cicli di temperatura che accelerano la fatica da corrosione: una combinazione di fatica meccanica e attacco corrosivo che è più dannosa di entrambi i fattori presi da soli.

Ricerca pubblicata su Giornale internazionale di fatica (2017) hanno dimostrato che la fatica da corrosione riduce il limite di fatica degli alberi del cambio in acciaio a bassa lega fino al 50% rispetto ai test condotti in aria secca. Gli alveoli superficiali dovuti alla corrosione agiscono come concentratori di sollecitazioni con fattori di intensità di sollecitazione efficaci paragonabili agli intagli lavorati.

Per le applicazioni offshore, le specifiche di forgiatura del cambio devono affrontare la resistenza alla corrosione attraverso la selezione dei materiali, i rivestimenti protettivi e i sistemi di lubrificazione sigillati, non semplicemente basandosi su standard di componenti di livello onshore.

Come i forgiati di alta qualità riducono il rischio di guasti

La selezione di forgiati prodotti secondo una rigorosa gestione della qualità affronta direttamente le cause profonde sopra elencate. Gli indicatori chiave di qualità da specificare includono:

1. Produzione di acciaio pulito con degasaggio sotto vuoto (VD) o rifusione ad arco sotto vuoto (VAR) per ridurre al minimo il contenuto di inclusioni
2. Rapporti di riduzione della forgiatura controllati e design degli stampi convalidati per garantire un flusso di grano costante
3. Tracciabilità completa delle registrazioni dei trattamenti termici, compresi i grafici tempo-temperatura per ciascun lotto
4. Test a ultrasuoni (UT) al 100% conforme a EN 10228-3 Classe 3 o equivalente, oltre a ispezione con particelle magnetiche (MPI) di tutte le superfici finite
5. Certificati di prova meccanica (trazione, impatto, durezza) da provini ricavati da prolungamenti di prova forgiati integralmente con il componente

Per i team di approvvigionamento e gli OEM di turbine eoliche che valutano i fornitori di forgiatura, il ns Forgiati del cambio della turbina eolica sono 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.

Riepilogo: cause di guasto in breve