I componenti di azionamento delle turbine eoliche devono soddisfare requisiti gravosi in termini di durata e resistenza, requisiti che diventano sempre più severi. Le turbine installate a terra richiedono cuscinetti progettati per una durata di 175.000 ore, equivalente a 20 anni di servizio. Nel mercato in rapida espansione dei parchi eolici in mare (offshore), invece, caratterizzati da investimenti elevati e difficoltà di accesso, viene richiesta una durata di 25 anni.
Durata maggiore, carichi dinamici superiori
In presenza di carichi dinamici estremi che agiscono sulla catena cinematica della turbina eolica, il requisito di durata rappresenta una vera e propria sfida. Nelle turbine offshore, i cuscinetti principali sono soggetti a carichi di circa 1 MN. In mare, a causa dei forti venti, i rotori e, di conseguenza, tutta la catena cinematica, sono soggetti a carichi statici e dinamici molto gravosi.
Al tempo stesso le dimensioni e le prestazioni dei sistemi per installazione a terra e in mare aumentano continuamente. NSK fabbrica attualmente cuscinetti per turbine da 9,5 MW, che presto verranno prodotti su larga scala. Inoltre l'Azienda sta sviluppando cuscinetti per turbine eoliche offshore con una potenzanominale di uscita ancora superiore.
Condition Monitoring
L'aumento delle prestazioni e la crescente quota di mercato delle turbine offshore sono i fattori che alimentano la domanda di cuscinetti con una maggiore durata. La tecnologia eolica diventa così un settore applicativo ideale per i sistemi di monitoraggio delle condizioni che rilevano continuamente e analizzano le vibrazioni dei sistemi di azionamento. In caso di danni a un cuscinetto, i componenti difettosi (anello interno o esterno, rulli o gabbia) possono essere individuati immediatamente analizzando il profilo delle vibrazioni.
Recentemente, in un parco eolico offshore in Giappone è stato installato un sistema di monitoraggio delle condizioni (CMS) sviluppato da NSK. Il compito del CMS è rilevare anomalie in tempi sufficientemente rapidi per attivare strategie di manutenzione predittiva. NSK vede sul mercato grandi potenzialità per soluzioni di questo tipo.
Sviluppo intensivo di materiali
Per quanto utile possa essere il monitoraggio delle condizioni come misura secondaria in applicazioni critiche, l'obiettivo principale quando si sviluppano cuscinetti per turbine eoliche è e resta garantire livelli elevati di affidabilità. In questo senso i produttori hanno già fatto notevoli progressi. Ad esempio, un contributo importante è giunto dallo sviluppo di nuovi materiali e processi di trattamento termico, come l'acciaio speciale Super Tough (STF) realizzato da NSK. I cuscinetti di questo materiale durano il doppio rispetto a quelli prodotti con acciaio tradizionale. Il relativo aumento del coefficiente di carico è stato confermato e certificato nel dicembre 2017 da DNV GL.
Le proprietà di lunga durata dell'acciaio STF sono state ottenute con una particolare composizione chimica e uno speciale trattamento termico. I sintomi tipici del danneggiamento, fra cui le cricche sulle piste di rotolamento dei cuscinetti causate da inclusioni non metalliche nell'acciaio del cuscinetto, sono stati praticamente eliminati nei cuscinetti prodotti con STF.
Indagine sulle cause dello sfaldamento strutturale
Un problema che ancora affligge il settore è il difetto noto come White Structure Flaking (WSF) o White Etching Crack (WEC), "cricche bianche". In entrambi i casi, alcune zone del materiale sotto la pista di rotolamento del cuscinetto mostrano aree di sfaldamento localizzate. La struttura sfaldata non è in grado di sostenere il carico e pertanto diventa l'origine delle cricche. A lungo andare queste cricche si estendono alla pista di rotolamento, fino a provocare il cedimento del cuscinetto. Questo tipo di danno si manifesta solitamente piuttosto precocemente, a volte poco tempo dopo che il sistema è entrato in servizio.
Dopo aver effettuato un'incisione con il Picral, queste entità assumono una colorazione bianca, dalla quale deriva la loro denominazione.
I test condotti nel reparto di ricerca e sviluppo di NSK hanno replicato il danno e consentito di formulare alcune ipotesi sulle sue origini. Diversi test a fatica hanno dimostrato che le strutture bianche sono causate dalla penetrazione di idrogeno. La presenza di idrogeno è molto probabilmente dovuta a numerosi fattori e alla loro interazione, ad esempio scorrimento assiale fra rulli e piste di rotolamento, elettricità e alcune tipologie di lubrificante.
L'idrogeno penetra nella pista di rotolamento e forma le tipiche strutture bianche che portano alla formazione di cricche e infine allo sfaldamento. Queste cricche possono essere lunghe diversi millimetri e diffondersi dall'interno verso la superficie. Test distruttivi su cuscinetti usati che non mostravano segni evidenti di danni in superficie hanno rivelato che le cricche bianche possono essere presenti anche in questi casi.
Analizzando il danno in modo più approfondito, si può osservare come, sotto l'azione dell'idrogeno, la microstruttura martensitica originale si degradi trasformandosi in ferrite friabile con grana molto fine. Questo meccanismo può essere spiegato con la teoria della plasticità localizzata dell'idrogeno (Hydrogen Enhanced Localized Plasticity, HELP). Una delle caratteristiche è che la plasticità si verifica solo localmente e che la fatica globale del cuscinetto sia ridotta, pertanto non si tratta di una delle classiche tipologie di danno da fatica che si genera sotto la pista di rotolamento (a causa dell'inclusione di particelle non metalliche) o nella pista di rotolamento (a causa di una grave contaminazione).
Confronto fra cuscinetti nuovi e usati
Quindi, da dove viene l'idrogeno? Confrontando cuscinetti nuovi e usati, il team di ricerca di NSK ha stabilito che l'idrogeno si forma solo quando i cuscinetti sono in esercizio.
È probabile (almeno questa è la prima ipotesi) che l'idrogeno provenga dalle catene di idrocarburi dei lubrificanti e dei loro additivi. Questa teoria ha trovato conferma quando i sintomi tipici delle strutture bianche sono stati riprodotti in laboratorio con alcune tipologie di olio e grasso. Danni simili erano stati segnalati nell'industria automobilistica negli anni Novanta, a ulteriore conferma della teoria. I cuscinetti dei tendicinghia e degli alternatori cedevano prematuramente, ma il problema era stato risolto cambiando il lubrificante e il materiale della cinghia. Resta comunque da stabilire l'influenza dell'elettricità (flusso di corrente) su questa modalità di cedimento.
Nuove leghe, trattamento termico specifico
NSK ha sviluppato nuove leghe che producono risultati migliori nelle prove di fatica al contatto di rotolamento. Nei test con carica di idrogeno, la composizione chimica ottimizzata ha mostrato un incremento della resistenza allo sfaldamento di cinque volte superiore rispetto agli acciai per cuscinetti tradizionali.
Ulteriori miglioramenti significativi sono stati ottenuti con un trattamento termico ottimizzato. Le tensioni residue sotto le piste di rotolamento possono essere migliorate mediante carbonitrurazione invece della tempra passante. Questa misura non previene la formazione di strutture bianche, ma comunque riduce drasticamente il numero di cricche che scaturiscono da queste strutture e la velocità di propagazione verso la superficie.
AWS-TF, nuovo materiale per cuscinetti
Sulla base delle ricerche condotte, NSK ha introdotto un nuovo materiale per cuscinetti chiamato AWS-TF (AWS sta per Anti-White Structure), che unisce una composizione chimica e un trattamento termico entrambi ottimizzati.
I testi hanno dimostrato che i cuscinetti di AWS-TF non eliminano completamente il rischio di WEC, ma ritardano di sette volte la comparsa del danno rispetto ai normali acciai per cuscinetti. Attualmente sono in atto le prime prove sul campo in installazioni critiche che sembrano confermare i risultati dei test.
