Corrosion analysis of wind turbine gears and gearboxes by XRD

Đặt vấn đề

Một số thành phần quan trọng của turbine gió rất dễ bị corrosive, có thể dẫn đến hỏng hóc chức năng. Tuổi thọ dự kiến ​​của tuabin gió là khoảng 20 năm và bảo hành từ nhà sản xuất thường chỉ bao gồm 2 đến 5 năm đầu hoạt động, vì vậy chủ sở hữu và đơn vị vận hành cần các công cụ phân tích ăn mòn đáng tin cậy để hỗ trợ yêu cầu bảo hành. Nhiễu xạ tia X (XRD) hiện đang được sử dụng để xác định và định lượng ăn mòn nguy hiểm bằng cách sử dụng các mẫu vụn kim loại mòn trong dầu. Nhưng phân tích trong phòng thí nghiệm sử dụng nhiễu xạ tia X truyền thống đòi hỏi thiết bị cồng kềnh, chi phí cao, kích thước mẫu lớn và bản thân công việc tốn kém – thường là 2-300 đô la cho mỗi mẫu – với thời gian quay vòng được tính bằng tuần.

Các tuabin gió đã nhanh chóng tăng cả về kích thước và số lượng trong vài năm qua. Khi kích thước của chúng tăng lên, việc mở rộng quy mô đã dẫn đến các lỗi phát sinh mới chưa từng thấy trước đây. Nứt trục của các vòng trong của vòng bi hộp số tốc độ cao là hay gặp nhất trong số các hỏng hóc liên quan; ăn mòn bề mặt chịu tải là một ví dụ khác. Nó là một quá trình mài mòn do cơ học nhưng nó mang tính hủy diệt và hầu như vẫn chưa được để ý nhiều trong ngành công nghiệp điện gió.

Ăn mòn trong tuabin gió xảy ra giữa hai bề mặt thép tiếp xúc với nhau dưới áp lực và chịu chuyển động rung nhỏ. Nó xảy ra ở cả tiếp xúc bôi trơn và tiếp xúc khô, nhưng tiếp xúc khô thường phá hủy hơn. Trong các thành phần được bôi trơn, nó xảy ra theo hai bước; loại đầu tiên tạo ra magnetit oxit sắt đen, tạo thành một lớp bám quanh vùng tiếp xúc, chặn chất bôi trơn đi vào. Giai đoạn thứ hai tạo ra hematit ôxít sắt đỏ, là chất mài mòn rất cứng, hạt mịn thường được sử dụng phổ biến để đánh bóng đá quý.

Magnetite và hematit là những tinh thể cứng có các cạnh và góc sắc nhọn gây mài mòn. Các hình ảnh trên cùng bên dưới cho thấy (1) cái nhìn cận cảnh về các mảnh vụn mòn do chịu tải và (2) cái nhìn tổng thể về hậu quả ăn mòn trên khóa trục hộp số. Các hình ảnh dưới cùng cho thấy bánh răng và vỏ hộp số bị ăn mòn bề mặt tiếp xúc; cả hai đều là hệ thống có bôi trơn.

So với các ứng dụng công nghiệp khác, tuabin gió phải chịu sự thay đổi tải trọng mạnh mẽ. Trên hết, khi kích thước của tuabin gió tăng lên, trọng lượng của thành phần đã tăng nhanh gấp đôi so với diện tích bề mặt trong các vùng tiếp xúc chịu lực, chẳng hạn như các kết nối sử dụng bu lông. Đây được gọi là bài toán “tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích”. Với khối lượng lớn hơn và diện tích tiếp xúc nhỏ hơn, sự phân hủy đã được tìm thấy trong các thành phần và giao diện quan trọng mà trước đây nó không xuất hiện. Ngoài ra, các yếu tố an toàn đã được giảm bớt để cắt giảm chi phí và trọng lượng. Có một động lực thị trường mạnh mẽ để giảm thiểu trọng lượng nacelle và rôto để giảm chi phí của tháp và chân đế.

Giải pháp phân tích ăn mòn hộp số động cơ điện gió

Kiểm tra tại hiện trường và phòng thí nghiệm về các mẫu của tuabin gió, cả khô và có chất bôi trơn được thực hiện bằng máy phân tích XRD di động TERRA. Các thử nghiệm này đã xác định và định lượng thành công và nhanh chóng các mảnh vụn ăn mòn cáu cặn, giúp chủ sở hữu tuabin gió, nhà cung cấp dịch vụ công nghiệp gió và phòng thí nghiệm phân tích mẫu có thể sử dụng máy phân tích TERRA trong việc theo đuổi các vấn đề bảo hành. Các cuộc điều tra ngoài hiện trường yêu cầu một số công cụ và vật tư kèm với thiết bị TERRA như thể hiện trong ảnh bên.

Khi tỷ lệ giữa hematit và magnetit tăng lên, sắt alpha (Fe) bắt đầu xuất hiện ở những bộ phận bị mài mòn nhiều nhất. Máy phân tích TERRA XRD thừa khả năng phát hiện cả ba thành phần riêng lẻ trong các mẫu được bôi trơn – magnetit, hematit và sắt alpha.

Nhiễu xạ tia X (XRD) là một kỹ thuật thường được sử dụng để phân tích ăn mòn. Ngoài ra, cả máy phân tích TERRA và BTX II đều cung cấp dữ liệu định tính từ kết quả phân tích huỳnh quang tia X (XRF) về thành phần nguyên tố của mẫu. Điều này rất hữu ích trong việc xác định nguồn gốc của các vụn kim loại bị mài mòn. Bằng cách sử dụng XRF, có thể xác định được sự mài mòn đang xảy ra trong các ổ trục hình cầu trong liên kết bước. Các biểu đồ cho thấy độ nhạy của các mẫu có tỷ lệ đỉnh trên nền tốt, như được thể hiện rõ ràng từ các mẫu XRD đại diện được hiển thị bên dưới.

Conclusion

Máy phân tích XRD cầm tay TERRA và máy đo phổ XRD để bàn BTX lý tưởng cho việc xác định và định lượng nhanh chóng và tiết kiệm tốc độ ăn mòn của bánh răng và hộp số tua-bin trong ngành năng lượng gió. Các ôxít sắt vi tinh thể hình thành do ăn mòn và mài mòn. Sự ăn mòn đáng lo ngại này làm giảm tuổi thọ của thiết bị tuabin gió, làm giảm giá trị đầu tư và thậm chí có thể gây ra rủi ro về an toàn. Các thiết bị XRD cung cấp giải pháp phân tích để phát hiện và ứng phó với sự ăn mòn. Tính năng XRF cung cấp dữ liệu định tính bổ sung về các nguyên tố được tìm thấy trong các mẫu. Phát hiện và định danh nguyên tố có thể hỗ trợ xác định các thành phần không đạt. Cả hai đều có thể cung cấp độ phân giải vượt trội để tách các pha khi phân tích.

Sự ăn mòn đáng lo ngại chắc chắn sẽ gây ra vấn đề với các mặt tiếp xúc trong các bộ phận của tuabin gió sử dụng các kết nối bắt vít và bánh răng hở. Sự lỏng lẻo ảnh hưởng mạnh mẽ đến tuổi thọ và chi phí sửa chữa của hệ thống bánh răng, ổ trục chính, hộp số, ổ trục và các bộ phận cả lớn và nhỏ.

Các chủ sở hữu và đơn vị vận hành tuabin gió có thể vẫn chưa nhận thức được sức mạnh tàn phá của sự ăn mòn phức tạp cho đến khi sự cố xảy ra. Việc chủ động phát hiện sớm, đặc biệt là trong thời gian bảo hành, được tăng cường đáng kể thông qua sử dụng các thiết bị XRD hiện đại. Nhiều chủ sở hữu tuabin gió đã có sẵn các chương trình kiểm tra và bảo dưỡng phòng ngừa. Vì máy phân tích TERRA XRD có thể di động và được thiết kế chắc chắn khi hoạt động ngoài hiện trường, nên nó có thể là một công cụ nằm trong chương trình bảo trì hữu ích. Công nghệ XRD của Olympus đóng một vai trò quan trọng trong việc duy trì khoản đầu tư của các chủ sở hữu tuabin gió tiếp tục sinh lời.

Khuyến nghị

Tất cả các đợt kiểm tra bảo dưỡng bảo hành tuabin gió cần phải bao gồm kiểm tra xem các bộ phận chịu tải có bị ăn mòn không. Nếu tìm thấy các hiện tượng ăn mòn và mài mòn sớm, các mẫu phải được thu thập, phân tích bằng XRD và đưa vào các yêu cầu bảo hành trong khi nghiệm thu.

Các hành động khắc phục đối với lỗi bao gồm tăng tải trọng trước của dây buộc, cải thiện độ hoàn thiện bề mặt, bổ sung các miếng chêm ma sát, chẳng hạn như miếng đệm được nhúng bằng bột kim cương, cải thiện khả năng bôi trơn trong các bánh răng hở, giảm rung và cân bằng động và tỷ lệ lỗi.