Quais são as causas mais comuns de falha em peças forjadas de caixas de engrenagens de turbinas eólicas?

As causas mais comuns de falha em Forjados de caixa de engrenagens de turbina eólica são fadiga do material, defeitos de inclusão subterrânea, tratamento térmico inadequado, concentrações de tensão induzidas por desalinhamento e quebra de lubrificação . Estudos do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) mostram que as falhas nas caixas de engrenagens são responsáveis por aproximadamente 20% do tempo de inatividade das turbinas eólicas , tornando-os a maior fonte de custos de manutenção não planejada do setor. Compreender as causas raízes no nível do forjamento e dos materiais é o caminho mais eficaz para prevenir falhas prematuras.

Fadiga de materiais: o principal modo de falha mecânica

A fadiga é responsável pela maioria das falhas de forjamento de caixas de engrenagens em turbinas eólicas em operação. Ao contrário da sobrecarga estática, os danos por fadiga acumulam-se de forma invisível ao longo de milhões de ciclos de carga antes que uma fissura se propague para a superfície.

Como a fadiga se inicia em peças forjadas

Nas coroas da caixa de engrenagens, nos porta-planetas e nos eixos de saída, as cargas cíclicas de flexão e torção criam microfissuras em pontos de concentração de tensão, como rasgos de chaveta, filetes e interseções de furos cruzados. De acordo com uma análise de 2019 publicada em Energia Eólica (Wiley), mais de 60% das falhas nos dentes das engrenagens nas caixas de engrenagens de turbinas eólicas originam-se de trincas por fadiga que começaram na superfície de contato ou logo abaixo dela.

Espectro de carga variável agrava fadiga

As turbinas eólicas apresentam espectros de carga altamente irregulares. Rajadas, turbulência e ciclos start-stop significam que os componentes da caixa de engrenagens raramente apresentam carga em estado estacionário. Esta carga de amplitude variável acelera o acúmulo de danos por fadiga em comparação com condições de testes de laboratório de amplitude constante, razão pela qual muitas classificações de fadiga padrão subestimam a vida útil no mundo real.

Inclusões subterrâneas e defeitos internos

Mesmo um forjamento de alta qualidade pode abrigar defeitos internos que servem como locais de início para trincas prematuras. As mais problemáticas são as inclusões não metálicas – óxidos, sulfetos e silicatos – introduzidas durante a produção de aço ou retidas através de processamento inadequado.

Tipos de inclusão e seus efeitos

Fonte: ASM Internacional, Análise de falhas de componentes de aço tratados termicamente , 2008.

Para peças forjadas de grandes caixas de engrenagens - transportadores planetários pesando mais de 2.000 kg são comuns em turbinas de 3 MW - a descamação induzida pelo hidrogênio é um risco particularmente sério se os procedimentos de resfriamento lento ou recozimento pós-forja não forem rigorosamente seguidos.

Tratamento térmico inadequado e falhas no endurecimento da caixa

As peças forjadas da caixa de engrenagens devem atingir um equilíbrio preciso entre uma camada superficial dura e resistente ao desgaste e um núcleo resistente e dúctil. Quando o tratamento térmico é mal controlado, esse equilíbrio é perdido e falhas ocorrem rapidamente em serviço.

Erros comuns de tratamento térmico

• Profundidade insuficiente da caixa em engrenagens carburadas ou nitretadas, causando trincas por fadiga na subcaixa
• Endurecimento não uniforme devido à agitação de têmpera inadequada, deixando pontos fracos no forjamento
• Descarbonetação da camada superficial durante o forjamento ou normalização, reduzindo a resistência à fadiga superficial em até 30% (Fonte: AGMA 923-B05, Especificação Metalúrgica para Engrenagens de Aço)
• Extinguir fissuras causadas por gradientes térmicos excessivos em componentes de seção espessa
• Austenita retida acima dos limites aceitáveis, o que se transforma sob tensão de serviço e causa instabilidade dimensional

Para engrenagens anelares de caixas de engrenagens de turbinas eólicas - que podem ter espessuras de parede superiores a 150 mm - alcançar um endurecimento uniforme requer classes de aço cuidadosamente selecionadas com temperabilidade adequada (normalmente 18CrNiMo7-6 ou 20MnCr5) e meios de têmpera e perfis de temperatura controlados com precisão.

Defeitos na linha de fluxo de forjamento e má estrutura de grãos

As propriedades mecânicas de um forjamento de caixa de engrenagens acabado são determinadas diretamente pelo fluxo interno de grãos criado durante o processo de forjamento. Matrizes de forjamento mal projetadas ou taxas de redução incorretas podem criar defeitos que permanecem ocultos até que o componente falhe em serviço.

Principais defeitos estruturais da prática de forjamento

• Voltas e fechamentos a frio: Formado quando o metal se dobra durante o enchimento da matriz, criando uma costura que atua como uma rachadura pré-existente
• Defeitos de fluxo: Ocorrem quando o material flui incorretamente em torno de machos ou mandris, interrompendo a continuidade dos grãos
• Bandas de grãos grossos: Resultam da redução insuficiente do trabalho a quente ou do reaquecimento acima da temperatura de engrossamento do grão, reduzindo a resistência ao impacto em até 40% em comparação com microestruturas de granulação fina (Fonte: padrões de tamanho de grão ASTM E112 e dados de forjamento da indústria)
• Linhas centrais de segregação: Em eixos forjados de grande diâmetro, a segregação da liga do lingote original pode persistir mesmo após o forjamento, criando zonas de dureza e resistência à fadiga diferentes.

Os fabricantes de alta qualidade abordam esses riscos por meio de um projeto de processo rigoroso, incluindo taxas de redução de forjamento adequadas (normalmente uma redução mínima de 4:1 do lingote), temperaturas de reaquecimento controladas e testes ultrassônicos (UT) obrigatórios de todos os forjados acabados, de acordo com padrões como EN 10228-3 ou ASTM A388.

Falha na lubrificação e sua conexão com a qualidade da superfície do forjamento

A falha de lubrificação é frequentemente tratada como uma questão puramente operacional, mas o acabamento superficial e a precisão dimensional das peças forjadas da caixa de engrenagens determinam diretamente quão bem a película lubrificante é mantida sob carga.

Como a condição da superfície acelera o desgaste

Superfícies de forjamento ásperas ou irregulares – mesmo após a usinagem – criam pressões de contato de alta aspereza que perfuram o filme lubrificante elastohidrodinâmico (EHL). Uma vez que ocorre o contato metal-metal, as temperaturas da superfície nos pontos de microcontato podem exceder 300 graus C localmente (Fonte: Tribology International, Vol. 44, 2011), levando a microssoldagem, desgaste e fadiga superficial rápida conhecida como micropitting.

O Gearbox Reliability Collaborative (GRC) do NREL identificou micropitting em dentes de engrenagens planetárias e solares como um modo de dano primário em caixas de engrenagens devolvidas em campo, com valores de rugosidade superficial acima de Ra 0,4 mícron aumentando significativamente o risco de micropitting mesmo com a viscosidade correta do lubrificante.

Contaminação de Lubrificante por Resíduos de Forjamento

Incrustações, partículas de óxido ou meios residuais de jateamento deixados nas cavidades internas das caixas de engrenagens ou eixos ocos podem circular no óleo de serviço, causando desgaste abrasivo de três corpos que danifica as pistas dos rolamentos e os flancos das engrenagens muito mais rápido do que as previsões do projeto supõem.

Desalinhamento e concentrações de tensão induzidas pela montagem

Mesmo uma caixa de engrenagens forjada perfeitamente fabricada pode falhar prematuramente se a caixa de engrenagens for montada incorretamente ou se o desalinhamento do trem de força transmitir momentos de flexão inesperados à carcaça e aos eixos da caixa de engrenagens.

Fontes de desalinhamento em transmissões de turbinas eólicas

• Desgaste do rolamento principal permitindo a deflexão do eixo do rotor que carrega o eixo de entrada da caixa de engrenagens de forma assimétrica
• Assentamento da torre ou distorção da placa da nacela introduzindo desalinhamento angular entre a caixa de engrenagens e o gerador
• Instalação incorreta da bucha do braço de torque, concentrando forças de reação em pontos específicos do forjamento da carcaça da caixa de engrenagens
• Desalinhamento do furo do suporte planetário excedendo 0,05mm , que descarrega algumas engrenagens planetárias enquanto sobrecarrega outras - um conhecido contribuidor para falhas prematuras de engrenagens planetárias e rolamentos (Fonte: GL Garrad Hassan Wind Turbine Technology, 2012)

Corrosão e Degradação Ambiental

Turbinas eólicas offshore e costeiras expõem os componentes da caixa de engrenagens à umidade, névoa salina e ciclos de temperatura que aceleram a fadiga por corrosão – uma combinação de fadiga mecânica e ataque corrosivo que é mais prejudicial do que qualquer um dos fatores isoladamente.

Pesquisa publicada no Jornal Internacional de Fadiga (2017) demonstraram que a fadiga por corrosão reduz o limite de fadiga de eixos de caixas de engrenagens de aço de baixa liga em até 50% em comparação com testes realizados em ar seco. Os sulcos superficiais causados ​​pela corrosão atuam como concentradores de tensão com fatores efetivos de intensidade de tensão comparáveis ​​aos entalhes usinados.

Para aplicações offshore, as especificações de forjamento de caixas de engrenagens devem abordar a resistência à corrosão por meio da seleção de materiais, revestimentos protetores e sistemas de lubrificação vedados - e não simplesmente depender de padrões de componentes de nível onshore.

Como peças forjadas de alta qualidade reduzem o risco de falhas

A seleção de peças forjadas produzidas sob rigoroso gerenciamento de qualidade aborda diretamente as causas básicas listadas acima. Os principais indicadores de qualidade a serem especificados incluem:

1. Produção de aço limpo com desgaseificação a vácuo (VD) ou refusão a arco a vácuo (VAR) para minimizar o conteúdo de inclusão
2. Taxas de redução de forjamento controladas e designs de matrizes validados para garantir um fluxo consistente de grãos
3. Rastreabilidade total dos registros de tratamento térmico, incluindo gráficos de tempo-temperatura para cada lote
4. 100% de testes ultrassônicos (UT) de acordo com EN 10228-3 Classe 3 ou equivalente, além de inspeção de partículas magnéticas (MPI) de todas as superfícies acabadas
5. Certificados de testes mecânicos (tração, impacto, dureza) de amostras cortadas de prolongamentos de teste forjados integralmente com o componente

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Resumo: Visão geral das causas da falha