Условия эксплуатации турбин ветроэнергоустановок постоянно ужесточаются. Машиностроительные предприятия и операторы сталкиваются с необходимостью сокращения затрат на эксплуатацию и техобслуживание оборудования с одновременным повышением его эксплуатационной готовности.

Разработав фирменную технологию нанесения чёрного оксидного покрытия, обеспечивающую дополнительную защиту подшипников основных элементов ветроэнергоустановок, компания SKF вносит свой вклад в повышение рабочих характеристик турбин.

Затраты на техобслуживание ветряной энергоустановки могут составлять до 25 % общих эксплуатационных расходов в течение срока её службы. Для уменьшения техобслуживания SKF разработала способ обработки поверхности подшипников для получения чёрной оксидной плёнки. Эта технология существенно повышает рабочие характеристики оборудования.

Потребности в новых установках
Ветряные энергоустановки эксплуатируются в условиях резкого изменения температуры, нагрузок и частоты вращения. Все эти факторы, в сочетании с воздействием грязи, влаги и различных химических веществ, без профилактических мер часто приводят к значительному сокращению жизненного цикла подшипников. Кроме того, по мере увеличения размеров и мощности ветряных энергоустановок ужесточаются требования, предъявляемые к основным элементам турбин, например, к редукторам.

Применяемая SKF технология нанесения чёрного оксидного покрытия обеспечивает повышенную защиту подшипников от повреждений в сложных условиях.

По результатам исследования Reliawind, интенсивность повреждений и отказов редукторов ветровых турбин составляет около 6 % в год. В исследовании также содержатся сведения, полученные в ходе изысканий в области надёжности, проводившихся Сельскохозяйственной палатой Германии в Шлезвиг-Гольштейн, а также научных работ, организованных Институтом Фраунгофера в г. Кассель (Германия). Согласно этим сведениям, величина интенсивности отказов равна примерно 10 %. Цена повреждений и отказов элементов трансмиссии может быть чрезвычайно высокой по причине длительных простоев оборудования.

Так, например, стоимость ремонта при выходе из строя подшипника быстроходного вала работающей на суше турбины может достигать нескольких тысяч евро при условии, что замена производится на месте эксплуатации. В случае отказа подшипника планетарного редуктора требуется замена всего редуктора, при этом стоимость подобной операции при учёте всех затрат может превысить сотни тысяч евро.

Основные причины выхода подшипников из строя
Типы повреждений, интенсивность которых удаётся уменьшить благодаря нанесению на элементы подшипника (например, кольца и тела качения) чёрного оксидного покрытия, обычно можно разделить на следующие категории: трещины, задиры и повреждения поверхности, а также повреждения в результате воздействия внешних факторов, в том числе, влаги и химических веществ.

Технология нанесения чёрного оксидного покрытия, применяемая SKF  
Нанесение чёрного оксидного покрытия существенно повышает защиту и улучшает работу подшипника на многих этапах, например, на этапе приработки, а также положительно влияет на характеристики поверхностей после приработки и эксплуатационные показатели в условиях недостаточного смазывания (при низких значениях κ), способствует адгезии смазочного материала и повышает устойчивость к задирам. Возможно также снижение риска фреттинг-коррозии, микровыкрашивания и образования трещин. Кроме того, слой чёрной оксидной плёнки обеспечивает повышенную защиту от коррозии и повышенную стойкость к химическим веществам по сравнению с необработанными поверхностями. Умеренная коррозионная стойкость чёрной оксидной плёнки достаточна для предотвращения коррозии при останове и фреттинг-коррозии, а устойчивость к химическим веществам позволяет уменьшить отрицательное влияние агрессивных компонентов, содержащихся в смазочных материалах. После обработки снижается трение и уменьшается изнашивание поверхностей, особенно в условиях неравномерного смазывания. Результаты недавно проведённых научных исследований и разработок указывают на то, что чёрная оксидная плёнка действует в качестве барьера, обеспечивающего защиту стали от проникновения водорода.
Согласно отчёту, предоставленному производителем редукторов для турбин ветроэнергоустановок, для демонстрации потенциального снижения интенсивности отказов была отобрана 1000 стандартных цилиндрических роликоподшипников редукторов, для которых интенсивность отказов составила от 40 % до 70 % (по истечении 2-х лет эксплуатации). Затем, в 1150 цилиндрических роликоподшипниках с покрытием из чёрной оксидной плёнки, эксплуатировавшихся в течение того же периода времени в аналогичных условиях, интенсивность отказов составила 0,1 %².

Подводя итог вышесказанному, можно утверждать, что подшипники SKF с покрытием из чёрной оксидной плёнки обладают следующими преимуществами по сравнению с подшипниками без покрытия при применении в редукторах ветряных энергоустановок:

• Улучшение рабочих характеристик на этапе приработки
• Более высокая коррозионная стойкость
• Повышенная устойчивость к задирам
• Улучшение рабочих характеристик в условиях недостаточного смазывания
• Повышенная адгезия масла и пластичных смазочных материалов
• Уменьшение отрицательного воздействия на сталь подшипника агрессивных химических присадок, содержащихся в смазке
• Снижение скорости проникновения водорода в сталь подшипника
• Уменьшение риска возникновения фреттинг-коррозии при контакте поверхностей.

Более 50 000 подшипников с покрытием из чёрной оксидной плёнки, находящихся в эксплуатации, служат доказательством эффективности и экономичности данной технологии SKF, способствующей существенному повышению рабочих характеристик подшипников на ветроэнергетических установках, которая может снизить интенсивность преждевременных отказов оборудования и благодаря этому уменьшить общие затраты на его эксплуатацию и техобслуживание.

Нанесение покрытия из чёрной оксидной плёнки
Чёрная оксидная плёнка образуется на поверхности металла в результате химической реакции с поверхностным слоем стали подшипника при погружении деталей в щелочной водный раствор солей с температурой около 150 °C. В ходе реакции между железом легированной стали и реагентами на внешней поверхности деталей подшипника возникает оксидный слой, содержащий FeO и Fe₂O₃ в строго определённом соотношении, с образованием в конечном итоге Fe₃O₄. Результатом обработки является чёрное поверхностное покрытие толщиной около 1-2 мкм.

Преимущества, получаемые за счёт нанесения чёрного оксидного покрытия, зависят от конкретных условий эксплуатации и назначения детали. Указанное покрытие успешно применялось в подшипниках  валков бумагоделательных машин, механизированных инструментов и промышленных вентиляторов.

Весь процесс нанесения чёрного оксидного покрытия состоит из 15 различных этапов погружения детали. Многие из этих этапов допускают изменение химического состава, содержания, температуры, времени погружения и поведения жидкости в баках.

Специалисты SKF с 2006 г. проводили углублённое исследование процесса нанесения чёрной оксидной плёнки и определили оптимальные характеристики данного процесса, в том числе, при обработке крупногабаритных  подшипников. Применяемый SKF процесс нанесения чёрного оксидного покрытия разрабатывается и адаптируется для каждого типа и области применения подшипников таким образом, чтобы обеспечить максимальное повышение эксплуатационных характеристик. Данный процесс может использоваться для обработки подшипников, предназначенных для турбин ветроэнергоустановок самых различных размеров: на настоящий момент – с наружным диаметром до 2,2 м и массой одной детали подшипника до 1000 кг. Способ, обеспечивающий обработку деталей различных размеров и масс, запатентован SKF.

Для наибольшей эффективности SKF рекомендует наносить покрытие на внутреннее и наружное кольца, а также тела качения подшипников. Нанесение чёрной оксидной плёнки возможно на подшипники всех типов, применяемые в основных узлах турбин ветроэнергетических установок. В частности, за последние годы такое покрытие успешно использовалось в цилиндрических и конических роликоподшипниках.

Процесс нанесения чёрного оксидного покрытия на предприятиях SKF тщательно проработан и строго контролируется, что даёт возможность выпускать высококачественные подшипники, доступные для заказа через сеть представительств компании в различных странах мира.

Примечания

1. Затраты на эксплуатацию и техобслуживание новых турбин могут легко достигать 20-25 % от величины общих усреднённых затрат на кВт/ч электроэнергии за срок эксплуатации турбины. Для относительно новых турбин этот показатель может составлять лишь 10-15 %, с увеличением не менее чем до 20-35 % к концу срока эксплуатации. Такие данные были получены в ходе европейского проекта Wind Energy – The Facts (WindFacts), финансируемого в рамках европейской программы Intelligent Energy Исполнительного ведомства ЕС по конкурентоспособности и инновациям.

Источник информации-Evolution-деловой и технический журнал фирмы SKF.