Suchen

Lager

Strategien gegen „White Etching Cracks“ in Windkraftanlagen

| Autor/ Redakteur: Bernhard Köhler* / Juliana Pfeiffer

Risse in den Lagern von Windkraftanlagen können zu teuren Ausfällen führen. Mit innovativen Prüfverfahren und Materialien entwickelt Schaeffler wirksame Strategien gegen das Problem.

Firmen zum Thema

Planetengetriebe: Gerade bei Getriebelagerungen für Windkraftanlagen treten White Etching Cracks häufig auf.
Planetengetriebe: Gerade bei Getriebelagerungen für Windkraftanlagen treten White Etching Cracks häufig auf.
(Bild: Schaeffler)

Mit dem weiteren Ausbau der Windkraftanlagen entstehen immer mehr Multi-Megawatt-Kraftwerke im Offshore-Bereich, bei denen Reparaturen sehr aufwändig sein können. Fällt beispielsweise das Planetenlager im Getriebe einer Offshore-Turbine aus, dann muss das Getriebe ausgebaut und an Land repariert werden. Die Kosten, die dabei entstehen, sind beträchtlich und liegen meist im Bereich von mehr als einer Million Euro. Aus diesem Grund haben moderne Getriebelager in Windkraftanlagen heute eine Auslegungslebensdauer von 20 bis 25 Jahren. Es werden allerdings immer wieder Frühausfälle beobachtet, die unspezifisch sind und die bei unterschiedlichster Auslegung der Lager festgestellt werden können. Die Ursachen der als „White Etching Cracks“ (WEC) beschriebenen Schäden sind noch nicht endgültig aufgeklärt, können aber auf jeden Fall als Systemproblem gesehen werden, das bei Zusatzbeanspruchungen durch Reibung, Dynamik und Elektrik entsteht.

Folgen: Vorzeitiger Lager-Ausfall

WEC-Schäden treten zunächst als Gefügeveränderungen im Werkstoff auf, die sich unterhalb der Lageroberfläche bilden. Im weiteren Verlauf breiten sich Mikrorisse unter dem Einfluss äußerer Belastungen bis zur Oberfläche aus und erscheinen dort als für das Schadensbild typische Axialrisse oder als Abblätterungen, bevorzugt in der Laufbahn des Innenringes der Lager. In seltenen Fällen können auch der Außenring oder die Wälzkörper betroffen sein. Die Schäden treten sowohl in martensitisch oder bainitisch durchgehärteten, als auch in einsatzgehärteten Wälzlagerkomponenten auf. Wenn der Schaden fortschreitet, kann es schließlich zu einem Reißen oder Durchbrechen des Ringes und damit zu einem vorzeitigen Ausfall des betroffenen Lagers kommen.

Bildergalerie

Ursache Nr. 1: Wasserstoffhypothese

Die Ursachen für die Entstehung von WEC sind noch nicht vollständig geklärt. Es gibt aber mehrere Hypothesen zu ihrer Entstehung, von denen die sogenannte Wasserstoffhypothese in der Fachwelt mittlerweile als die plausibelste angesehen wird. Sie beschreibt die folgende Kette von Ereignissen: In der Umgebung der Lager, beispielsweise im Schmieröl, befindet sich Wasserstoff in molekularer Form. Dieser kann zunächst nicht in den Stahl des Wälzlagers diffundieren. Allerdings können elektrische Felder oder chemische Prozesse den Wasserstoff in atomare Form spalten. Die Wasserstoffatome sind diffusibel, können so in den Stahl eindringen und sich an nichtmetallischen Einschlüssen oder sonstigen Ungänzen des Materials konzentrieren.

Gefügeveränderungen bei vorgeschädigtem Material

In der Folge wird die Fließgrenze des Materials herabgesetzt. Eine weitere äußere Belastung über die Fließgrenze hinaus verursacht bei dem vorgeschädigten Material Gefügeveränderungen. Es entstehen im Vergleich zum Grundwerkstoff sehr harte Zonen mit nanokristallinem Ferrit. Diese nanokristallinen Gefügebereiche werden bei einer Nitalätzung nicht angegriffen und erscheinen im Ätzschliff weiß - weshalb sie als "White Etching Cracks" bezeichnet werden. Wenn nun von außen eine weitere Belastung auf das veränderte Material einwirkt, entstehen zwischen den harten und den weniger harten Zonen Spannungen und schließlich Risse, die sich bis zur Oberfläche ausweiten und zum Ausfall des Lagers führen können.

Ursache Nr. 2: Elektromagnetische Ursache

Eine andere Erklärung ist die elektromagnetische Hypothese, die besagt, dass der Stahl des Wälzlagers durch induzierte Ströme geschädigt wird. Die elektromagnetische Hypothese wird derzeit nicht weiter verfolgt; möglicherweise sind aber elektromagnetische Störgrößen als zusätzliche Belastung zu sehen.

Die Strategie: WEC-Prüfstände

Auch wenn es noch keine abschließende Antwort für die Ursachen gibt: Mit innovativen Prüfverfahren und Materialien hat Schaeffler wirksame Strategien gegen das Auftreten von WEC entwickelt. Zu diesem Zweck betreibt der Wälzlagerhersteller ein breites Spektrum an WEC-Prüfständen, in denen die für das Auftreten von WEC bekannten Zusatzbelastungen simuliert werden. Die Prüfstände eignen sich damit zur Reproduktion der Schäden und zur Verifikation geeigneter Gegenmaßnahmen.

Lösung Nr. 1: Zusatzbeanspruchung reduzieren

Grundsätzlich gibt es zwei Lösungsansätze. Der eine besteht darin, die Zusatzbeanspruchungen zu reduzieren. Beispielsweise können die Reibung durch die Optimierung der Ölmenge und der Viskosität des Getriebeöls reduziert, die dynamische Belastung der Lager durch Vibrationen und Torsionsschwingungen abgemildert oder die elektrischen Felder, die auf das Lager einwirken, abgeschirmt werden. Dafür ist eine Zusammenarbeit aller Partner erforderlich, die Komponenten für den Triebstrang von Windkraftanlagen herstellen.

Lösung Nr. 2: Beschichten der Lager

Der andere Lösungsansatz besteht darin, die WEC-Beanspruchbarkeit des Lagers zu erhöhen. Ausgehend von der Wasserstoffhypothese bedeutet das, durch eine Beschichtung die Entstehung von atomarem Wasserstoff zu verhindern oder die Diffusion des Wasserstoffs in den Grundwerkstoff zu behindern. Die von Schaeffler empfohlene und statistisch belegte Technologie für eine effiziente und wirtschaftliche Reduktion von WEC-Schäden ist das Beschichten der Lager mit dem Schichtsystem Durotect B.

Das Schichtsystem Durotect B ist eine Weiterentwicklung konventioneller Brünierschichten und verfügt über ein gesteigertes Leistungsvermögen. Das von den Experten des Kompetenzzentrums Oberflächentechnik bei Schaeffler entwickelte System erhöht nicht nur den Schutz gegenüber WEC, sondern vermindert auch die Gefahr von Schlupfschäden, verbessert das Einlaufverhalten und bietet einen erhöhten Schutz vor Korrosion. Bei etwa 550.000 mit Durotect B beschichteten, durchgehärteten Windkraft-Lagern, die innerhalb der letzten zehn Jahre von Schaeffler für den Einsatz in von WEC betroffenen Lagerpositionen produziert und geliefert wurden, traten Schäden durch WEC bei weniger als 0,02 Prozent auf.

Carbonitrieren bei höherer Tragzahl

Ist eine höhere Tragzahl gefordert, bietet Schaeffler carbonitrierte Wälzlager aus dem Werkstoff Mancrodur mit der Beschichtung Durotect B an. Beim Carbonitrieren werden die Lager einem speziellen Wärmebehandlungsverfahren unterzogen, bei dem die Bauteiloberfläche mit Kohlenstoff und Stickstoff angereichert wird. Die Lager erhalten so eine höhere Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit.

Durch den Einsatz des hochchromhaltigen Spezialstahls Cronidur 30 kann die Entstehung von WEC nach heutigem Kenntnisstand vollkommen ausgeschlossen werden. So ist bisher kein WEC-Fall mit Cronidur 30-Lagern, die seit vier Jahren in dieser Anwendung auf dem Markt sind, bekannt. Durch die Verwendung dieses Materials lässt sich zudem eine um bis zu 70 Prozent gesteigerte Tragzahl und dadurch eine höhere Lebensdauer sowie ein besserer Korrosionsschutz erzielen. (jup)

* *Leiter Dachprojekt „White Etching Cracks“ Schaeffler Technologies AG & Co. KG, Schweinfurt

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 43415197)

Über den Autor

Juliana Pfeiffer

Juliana Pfeiffer

, konstruktionspraxis – Alles, was der Konstrukteur braucht