風力タービン用ダクタイル鋳鉄鋳物: 強度、疲労、認定

最新の風力タービンのダクタイル鉄製ローター ハブの重量は 10 トンを超える場合があります。それは鋳造され、機械加工され、地上 300 メートルの高さの塔にボルトで固定されます。一度設置されると、摂氏マイナス 40 度の低温下で何百万回も積み降ろしが行われますが、構造的には 20 年以上健全な状態を保つことが期待されます。

重いセクション、過酷な気候、疲労が支配的な使用の組み合わせにより、風力タービンの鋳物には、主軸に鋼が指定されるのとほぼ同じくらい頻繁に EN-GJS-400-18U-LT フェライト系ダクタイル鋳鉄が指定されます。ダクタイル鋳鉄は、設計者に大きな構造形状を形成するための強度と靱性を与え、鍛造または加工鋼の代替品では太刀打ちできない鋳造および機械加工コストで実現します。

ダクタイル鋳鉄鋳物が風力タービンのハードウェアで主流を占める理由

ダクタイル鋳鉄では、微細構造内の黒鉛はフレーク状ではなく球状です。これらの塊が延性金属マトリックスを中断するのは、ねずみ鋳鉄の鋭い黒鉛フレークよりもはるかに少ないため、ダクタイル鋳鉄は幅広い温度範囲にわたって測定可能な伸びと衝撃強度を実現します。風力タービンのコンポーネントの場合、実用的な結果は、重い荷重に耐え、寒冷気候に耐え、ハブ、フレーム、ハウジングなどの大きなニアネットシェイプ構造に鋳造できる材料です。

ダクタイル鋳鉄で作られた主な風力タービン鋳物には次のものがあります。

• ローターハブ
• 主軸受箱
• ベッドフレームとメインフレーム
• ギアボックスハウジング
• トルクアーム
• ヨーおよびピッチドライブハウジング
• ブレーキキャリパーと取り付けブラケット

ねずみ鋳鉄は安価で鋳造が容易ですが、鱗片状黒鉛により脆くなります。カウンターウェイト、カバー、ケーブル トレイなどの軽負荷の部品に限定されます。鋳鋼は紙の上ではより高い強度値を示しますが、溶融温度が高く、成形費が高く、加工時間が長く、収縮欠陥が発生しやすいため、これらの大きな断面のコンポーネントでは一般的ではなく例外となっています。だからこそ、私たちがより透明性を高めたいと考えている材料ファミリーであるダクタイル鋳鉄は、 ダクタイル鋳鉄とは 、風力タービンの鋳造に関するあらゆる議論の中心を占めます。

EN-GJS-400-18U-LT: カテゴリを定義するグレード

ヨーロッパのほとんどの風力タービン仕様は規格 EN 1563 を参照しており、以前は GGG 40.3 として知られていた低温フェライト系ダクタイル鋳鉄である EN-GJS-400-18U-LT を呼び出しています。グレード コードは材料を説明します。最小引張強さは 400MPa、最小伸びは 18%、U は必須のノッチ衝撃試験、LT は低温靱性です。

風力タービン用途におけるこのグレードの一般的な最小要件を以下にまとめます。

重要な要件はフェライト母材です。フェライトは鋳鉄の柔らかく延性のある相です。グラファイトノジュールを取り囲むと、発達する亀裂は硬いパーライトを通過するのではなく、継続的にその経路を再開しなければなりません。指定の U は、衝撃値が想定ではなく実証される必要があることを意味するため、鋳造工場は鋳放しまたは焼きなました微細構造を注意して管理する必要があります。北部の設置場所の場合、タービン OEM は通常、-40 °C の衝撃試験、より高い最小結節性、またはその両方を追加します。鋳造工場が 2 トンのハブ セクションでこれらの値を保証できない場合、その鋳造品は工場から出荷される前にすでに仕様を満たしていないことになります。

疲労寿命が設計を左右する

風力タービンの鋳物は、静的強度ではなく疲労を重視して設計されています。ハブまたはベッド フレームの応力範囲は 1,000 万回以上繰り返される可能性があるため、体積上の欠陥は亀裂の核となる可能性があります。 EN-GJS-400-18U-LT は、フェライト系マトリックスを備えており、その義務に耐えられる亀裂耐性を備えています。しかし、等級だけでは十分ではありません。セクションの感度は隠れたリスクです。厚さ 100 mm のハブの壁は、その横の薄いリブとはまったく異なる速度で冷却されます。粗大なグラファイト、ノジュール数の減少、および残留炭化物が局所的に発生する可能性があり、それらにより靭性と疲労耐性が低下します。

優れたデザインが役に立ちます。応力集中が疲労亀裂の始まりとなるため、断面の厚さをできるだけ均一に保ち、重い断面を緩やかな移行でリブにブレンドし、すべての凹角に丸みを付けます。

鋳造工場におけるプロセス管理

大型のダクタイル鋳鉄製の風力タービン鋳物は、運で生み出されるものではありません。鋳造プロセスのすべてのステップは規律正しく行われなければなりません。

• 結節化。 マグネシウムを溶融物に添加してグラファイトを団塊に変化させます。この処理の一貫性によって、部品の結節率が 90% 以下に達するかどうかが決まります。
• 接種。 フェロシリコンベースの接種剤を繰り返し接種すると、ノジュール数が増加し、薄いエッジの遊離炭化物が抑制されます。
• 注ぐ。 フィルターと制御された注入速度により、ドロスや再酸化生成物が重要な負荷経路に到達するのを防ぎます。
• 餌やり。 孤立したホットスポットが冷却中に収縮しないように、ライザーの設計を凝固シミュレーションに対して検証する必要があります。
• 熱処理。 フェライト化焼鈍は炭化物を溶解し、マトリックスを均質化し、仕様で要求される伸びと衝撃値を回復します。

文書化された熱処理ルーチンと充填と固化のシミュレーション機能を持つ鋳造工場は、この製品クラスにおいて決定的な利点を持っています。

大型ダクタイル鋳鉄鋳物は凝固する瞬間にグレーディングされます。適切に発達しなかった微細構造は、いくら機械加工しても修正できません。

責任ある購入者が指定するもの

したがって、購入者にとって、ダクタイル鋳鉄風力タービン鋳物に関する議論は、要件に関する議論となります。本格的な技術仕様には、少なくとも以下の内容が含まれている必要があります。

1. 材料グレードと規格: 欧州では EN-GJS-400-18U-LT から EN 1563、または北米プロジェクトでは合意された低温衝撃条項を備えた ASTM A536 グレード 65-45-12。
2. 微細構造の受け入れ: 最小の塊状性、グラファイトのサイズ範囲、およびマトリックス中の最大のパーライト含有量。
3. テストサンプルの位置と周波数: 個別に鋳造したサンプルと鋳造したサンプル、および溶融物ごとに何回のシャルピー試験が必要か。
4. 非破壊検査: 超音波試験レベル、許容限界、および機械加工された重要な表面の磁粉検査。
5. 修理ポリシー: どの軽微な欠陥が修復可能か、どの手順で、修復された領域がどのように再検査されるか。
6. ドキュメント: EN 10204 3.1 材料証明書、熱処理チャート、NDT レポート。

鋳造の能力が鋳造の完全性を決定する

小型ダクタイル鋳鉄鋳物から風力タービン規模までのステップは直線的ではありません。重量セクションでは、ゲート、供給、接種、熱処理、クレーンの取り扱い、非破壊検査などの経験が求められますが、これらの経験は大セクション鋳物のオペレーターのみが蓄積します。したがって、タービン OEM またはティア 1 サプライヤーは、化学だけでなく、鋳造工場の生産フロア全体を評価しています。

年間鋳造能力 20,000 トン、30,000 平方メートルの作業場を備え、デンマーク、ドイツ、イタリア、スペイン、米国への輸出納入を行う中国のダクタイル鋳鉄およびねずみ鋳鉄鋳造工場、Haian Aoyu Machinery Manufacturing はその実践例です。同社の日々の生産は、重量構造鋳物、圧力含有本体、複雑なコアアセンブリをカバーしており、すべてが風力タービンのコンポーネントに必要とされる同じ冶金学的および寸法的規律を共有しています。

機械のベースとコラムは、タービン ベッド フレームと同様に、制御された結節性と多孔性のないことが決定的な重要な要素となる、大きくて硬い構造です。

ポンプ本体とバルブ本体は何十年にもわたって内圧を保持する必要があるため、ギアボックスのケーシングに要求されるのと同じ緻密な微細構造が要求されます。

コンプレッサーの本体とシリンダーは複雑なコアアセンブリであり、繰り返しの寸法精度と冶金学的精度が不可欠であり、風力タービンハブに要求されるのと同じ規律が求められます。

要約すると、風力タービン用のダクタイル鋳鉄鋳物は珍しい材料ではありません。これらは、現代のタービンの実証済みのエンジニアリング バックボーンです。信頼できるサプライヤーを分けるのは、鋳造工場が重量セクションの微細構造を本当に管理し、低温衝撃試験でそれを証明し、NDT の結果について正直に伝えているかどうかです。グレードを指定してください。試験温度を固定します。プロセスを監査します。この鋳造品は、20 年間の冬の嵐の間も静かにローターを運びます。