风力发电关键零部件用特殊钢

知识点：发电工程每千瓦钢材消耗量

一、风电用钢概况

       风力发电机组用钢品种主要有碳钢厚板、电工钢和特殊钢锻件。厚板主要用于塔筒和机舱底座等零部件。电工钢主要用于风力发电机的定子和转子零部件。特殊钢主要用于风轮主轴、变桨系统轴承、偏航系统轴承、传动系统齿轮、轴和轴承以及发电机轴等零部件。由于特殊钢主要用于制造风电机组齿轮箱和轴承等关键零部件，因此其产品质量直接关系到风电机组运行的可靠性。

       根据调研，一台1500千瓦的风电机组平均耗钢量约为170吨，而一台万千瓦的风电机组的耗钢量约为1130吨。在风电机组所消耗的钢材中，厚板的用量最大，占到总耗钢量的69%左右。其次是特殊钢，占到总耗钢量的26%；电工钢消耗量虽然仅为总耗钢量的5%（见表1）。      

表1    典型风力发电机组钢材消耗情况

1500KW风电机组	钢材消耗量（吨）	钢材消耗比例（%）
总耗钢量	170	100
厚板	117	69
电工钢	8	5
特殊钢	45	26
主轴	10	6
轴承	16	9
齿轮	12	7
其他	7	4

       目前，我国风电装备设计制造技术仍处于初级发展阶段，与国外先进技术相比，技术较落后，产品质量还不高，很多关键原材料或零部件仍然依靠进口。国内风力发电机组齿轮箱齿轮原材料可选的钢种、品种不多。从德国ZF公司、意大利FIAT公司引进产品的齿轮原材料与工艺标准比较，国内外齿轮材料的主要区别在于原材料纯净度的控制和淬透性带宽的控制。

       风电设备的轴承同样是风力发电机组重要关键基础件，要求轴承钢有高而均匀的硬度和耐磨性，以及高的弹性极限。对轴承钢的化学成分的均匀性、非金属夹杂物的含量和分布、碳化物的分布等要求都十分严格。

二、风电用齿轮和轴承的主要问题

       风电机组中的齿轮箱是一个重要的增速传动部件，通过齿轮箱完成整个风力发电机组能量的传递。在设计要求上，风电齿轮箱的机械效率应＞97%，是指在标准条件下应达到的指标；风电齿轮箱的噪声标准为85dB(A)左右。

       近几年来，随着风力发电等行业的快速发展，对长寿命及高可靠性齿轮箱的需求也在快速增长。齿轮箱是风电机组中技术含量最高的部件之一，其设计寿命一般为20年。但风力发电机组工作环境恶劣，据世界风力发电网数据，风电系统的失效率12%来自齿轮箱的失效，其损失要占风电设备总价的15%~20%。特别是齿轮箱系统中由关键零部件（齿轮、轴承、主轴等）的失效引发故障而导致停机的时间占机组总停机时间的比例居高不下，成为影响机组可靠性的主要原因之一。因此，风电齿轮箱的可靠性是影响风机技术和风机质量的决定性因素。

       根据研究分析，风电齿轮轮齿的损伤是目前比例大且影响相对较大的损伤形式（图1～图3）。风电增速箱上承受的载荷变化比较大，特别是由极限风速或湍流工况引起的系统过载以及由调距或机械制动等引起的瞬时峰值载荷，尽管瞬时峰值载荷在整个运行周期中作用时间不长，但是却对齿轮特别是齿面损伤有极大影响。轮齿齿面损伤的常见规律可归纳为“点蚀-剥落-断齿”三部曲，比较典型的是行星轮系，行星轮在运转过程中总是双向受力，受齿轮精度、强度的影响，容易出现疲劳断齿现象；太阳轮具有结构小、载荷大的特点，其精度保持性低，易诱发失效。

     

图1   夹杂等诱发的断齿（高速端齿轮）

图2   齿面微点蚀

图3  淬硬齿面的疲劳点蚀（大齿圈）

       轴承是齿轮箱中另一个重要故障源。在载荷作用下，由于安装、润滑、污染和工作环境等因素，轴承出现了磨损、超负载、过热、腐蚀、导电、疲劳等现象，使轴承产生点蚀、裂纹、表面剥落等问题而失效，从而使齿轮箱发生损坏（图4～图5）。例如在低速输入端，低速重载情况比较典型，良好的润滑条件难以形成，这是造成主轴轴承损坏的重要原因。目前比较典型的是高速端的轴承，它更容易出问题，因为发电机轴和齿轮箱高速轴连接中通常存在角度偏差和径向偏移，它们随输出功率的变化而变化；这会产生一定频率的轴向和径向的扰动力，从而引起轴承温升而使轴承损坏。

  

       图4  轴承内圈的微点蚀   

     

                   图5  轴承座的黏着磨损                   

       美国Timken公司的调查认定，影响主轴滚动轴承磨损的主要原因不是传统的转动接触疲劳，而是低周微点蚀磨损。由于主轴轴承的转速为10~20r/min，不足以长期形成稳定可靠的润滑油膜厚度。因此，下风条件下在较大的载荷、较高的应力循环以及过小的油膜厚度等情况下，滚子滚道接触表面发生了滑动，摩擦剪应力导致粗糙表面接触应力的增大，并在表面附近产生了最大值。更广泛的调查研究还表明，除了主轴调心滚动轴承以外，这种微点蚀现象也是齿轮箱轴承以及传动齿轮本身失效的重要原因之一。

       由于风力发电机组一般安装在荒郊、野外、山口、海边等风能较大且周围无遮挡物之处，常年受酷暑严寒和极端温差的影响，工作环境恶劣。发电机、齿轮箱等安装在机组塔架之上狭小的机舱内，距地面几十米高。常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，自然环境恶劣，交通不便，齿轮箱一旦出现故障，修复十分困难，而且故障期一般出现在发电高峰期，将严重影响到风场的经济效益。因此，对齿轮箱的可靠性和工作寿命提出了很高的要求。

三、风电关键零部件的材料选择

       风电零件特殊的服役条件决定了材料的特殊要求。JB/T5078-1991规定“对承受重载并有冲击的高速齿轮，应选用镍铬钼钢或镍钼钢”、“高速齿轮应采用保证淬透性的结构钢”、“制造高速齿轮的材料应具有较高的纯度及尺寸稳定性”。GB/T8539-2000规定“钢材在钢包中脱氧及精炼，并经真空脱气，浇铸过程应有防氧化措施，最大氧含量25×10-6”。JB/T7516-1994规定“对可靠度要求高的齿轮，需保证材料的纯度，采用以真空冶炼、电渣重熔或真空重熔等方法冶炼的钢材。材料的含氧量应控制在20×10-6以下，含氢量控制在5×10-6以下，含硫量小于0.015%”。

       因此风电零件一般均采用高淬透性合金钢。通过提高材料的淬透性并控制淬透性带宽和通过降低氧含量、消除有害的氧化物夹杂、提高钢材的清洁度等措施以达到提高风电零件使用寿命的目的。风电增速箱的齿轮和轴一般都采用Cr-Ni、Cr-Mo、Cr-Ni-Mo系列合金钢制造。外齿轮一般采用15CrNi6、17Cr2Ni2A、17CrNiMo6、17Cr2Ni2MoA、20CrMnMo、20CrNi2MoA等材料进行渗碳淬火处理。内齿轮和轴类零件一般采用42CrMoA、34Cr2Ni2MoA等材料进行调质处理，必要时内齿轮再进行深层气体渗氮处理，轴的重要部位再进行表面淬火处理。较高要求的齿轮轴可以采用16CrNi、17CrNi5、17CrNiMo6、20CrMo、20CrNi2Mo等材料进行渗碳淬火处理。其中，中国的42CrMo材料近似于德国的DIN42CrMo4、美国的SAE4140。中国的20CrMnMo近似于德国的DIN20CrMo5、美国的SAE4119。中国的17Cr2Ni2Mo近似于德国的DIN17CrNiMo6，适用于模数≥16的大型渗碳-淬火齿轮/齿轮轴，最大使用截面达到1200mm。

四、风电齿轮用钢

4.1风电齿轮技术要求

       由于风电齿轮箱的服役条件苛刻，技术要求高。风电齿轮应充分注意增速传动和减速传动的区别，变位系数的选择应有利于降低滑差，应根据载荷情况作必要的齿形和齿向修正，内齿圈轮缘厚度应≥3倍的模数，外齿轮均采用渗碳淬火＋磨齿工艺，齿面粗糙度≤0.8μm，太阳轮、行星轮齿面粗糙度≤0.4μm，齿轮精度≥5级(GB/T10095—2008)；与传统行星传动不同，内齿圈的强度往往成为风电齿轮箱的薄弱环节，齿轮精度6级(GB/T10095—2008)。国外一般采用斜齿内齿轮，渗碳淬火＋磨齿工艺。但由于国内大型内斜齿制齿加工困难，内齿磨齿成本较高，国内通常采用直齿，渗氮工艺或高频淬火工艺，与国外产品在设备可靠性、质量等方面存在一定差距。由于风电齿轮箱变速比大，所以采用平行传动＋行星传动方式，而在行星齿轮中，为了提高齿轮强度，传动平稳性及可靠性，同时减小尺寸和重量，内齿圈也要求采用渗碳淬火及磨齿工艺。即使在保证内齿圈强度的条件下，采用渗氮工艺时，内齿圈的精度也不应低于7级。

       从目前我国风电机组齿轮箱的生产来看，要保证20年使用寿命，对于内齿圈的渗碳淬火变形，由于直接影响生产已成为热处理工艺中的一大难题。

4.2风电齿轮钢牌号

       风电机组齿轮箱的外齿轮用钢有17CrNiMo6、15CrNi6、20CrNi2MoA和17Cr2Ni2MoA等，内齿轮用钢为42CrMoA、34Cr2Ni2MoA等。风电齿轮用钢化学成分见表2。

               表2   风电齿轮钢化学成分(质量分数，%)

牌号	C	Mn	Si	Cr	Ni	Mo	备注
17CrNiMo6H	0.15～0.20	0.40～0.60	≤0.40	1.50～1.80	1.40～1.70	0.25～0.35	外齿轮用钢
15CrNi6H	0.14～0.19	0.40～0.60	≤0.40	1.40～1.70	1.40～1.70	—	外齿轮用钢
20CrNi2MoA	0.17～0.23	0.30～0.65	0.17～0.37	0.60～0.95	2.70～3.25	0.20～0.30	外齿轮用钢
17Cr2Ni2MoA	0.15～0.19	0.40～0.60	0.15～0.35	1.50～1.80	1.40～1.70	0.15～0.25	外齿轮用钢
42CrMoA	0.38～0.45	0.50～0.80	0.50～0.80	0.90～1.20	—	0.15～0.25	内齿轮用钢
34Cr2Ni2MoA	0.30～0.40	0.50～0.80	0.17～0.37	1.10～1.70	2.75～3.25	0.25～0.40	内齿轮用钢

4.3风电齿轮钢技术要求

       钢材的纯净度、淬透性和原始组织是决定风电齿轮箱关键材料承载能力的基础。

     （1）影响钢纯净度的主要因素是含氧量，钢中氧含量对齿轮疲劳寿命的影响显著，日本曾对Cr、Cr-Mo、Cr-Ni-Mo等渗碳齿轮钢的氧含量与疲劳寿命之间的关系作过对比试验，当钢中氧含量从25×10-6降到11×10-6时，其钢材的疲劳强度可提高4倍。因此，日本、欧美国家对渗碳齿轮钢的氧含量均进行严格限制，德国和日本的Mn-Cr、Cr-Mo齿轮钢的氧含量基本在15×10-6以下，最低的只有7×10-6。而我国齿轮钢的氧含量一般在20×10-6以下，部分可小于15×10-6，与国外先进水平有一定差距。

       除氧含量外，非金属夹杂物属性也是齿轮钢纯净度的一个重要指标。齿轮钢为了细化晶粒，通常需要在钢中保持一定的酸溶铝含量。但钢中铝也易形成最为有害的Al2O3球状或颗粒状脆性夹杂，而且Al2O3变形能力较低，常常是接触疲劳裂纹源区，易引起零件早期失效。目前风电齿轮钢要求B类夹杂不大于2级，D类夹杂不大于1级。

       真空脱气精炼可以降低含氧量，大幅减少Al2O3、SiO2和TiO2等氧化物含量，提高冲击韧性。因此，风电齿轮箱齿轮渗碳/渗氮均明确提出钢材的冶炼方式，提出含氧量、含氢量、氧化物类型及数量等具体要求。

     （2）淬透性包括两个指标：1）淬透能力，保证心部硬度满足接触疲劳强度和弯曲疲劳强度的要求。2）以淬透性带控制热处理机变形。着重要求钢材的淬透性带宽在较窄的范围内，可以显著减少齿轮的变形，并使表面硬化层的残余压应力分布更加均匀。

       淬透性和淬透性带宽的控制，主要决定于化学成分和化学成分的均匀性。淬透性确定后，淬透性带宽的大小在很大程度上影响热处理变形，淬透性带宽愈窄，离散度愈小，愈有利于齿轮的加工及提高其啮合精度。国外对先进风电齿轮钢淬透性带宽的控制已经可以达到3HRC，而我国生产的风电齿轮钢淬透性带宽很难达到要求，一般可以控制在 6~8HRC 左右，原因主要是国内钢铁厂冶炼过程中钢水的成分控制能力较低。

     （3）原始组织除对晶粒度、带状组织及非金属夹杂物等指标作出要求外，还应要求钢材的横截面酸浸低倍组织不应有目视可见的缩孔、气泡、裂纹、翻皮和白点。还要求一般疏松≤2级；中心疏松≤2级；不允许锭型偏析。

       细小均匀的奥氏体晶粒对稳定齿轮的末端淬透性，减少齿轮热处理后的变形量，提高渗碳钢的脆断抗力具有重要意义。研究指出，当晶粒粗于5级或更粗（级别小于5级）时，渗碳钢的脆断抗力显著降低，粗晶粒还会引起齿轮剥落的脆化因素增加。目前，我国齿轮钢的晶粒度级别一般要求（5-8）级，而日本特别强调渗碳齿轮晶粒级别大于6级。

五、风电轴承用钢

       风电轴承的范围涉及从叶片、主轴和偏航所用的轴承，到齿轮箱和发电机中所用的高速轴承。总体来说，轴承是风力机械中的薄弱部位。特别是用于齿轮箱、主轴和发电机上的大轴承，是造成某些型号风电机组的主要故障之一。表3列出了轴承在风电机组不同部件中的具体应用。

              表3  轴承在风电机组中的具体应用

轴承类型	与其相配套的部件
球面滚子轴承	主轴、齿轮箱
单/双排大直径圆锥滚子轴承	主轴、齿轮箱
圆筒形滚柱轴承	主轴、齿轮箱、发电机
滚球轴承	发电机
旋转枢轴轴承	偏航、变桨

       风电轴承，由于其所使用的环境恶劣、安装维修维护不便，使其对轴承零件的质量要求更严格。为此，不仅要求轴承具有足够的强度和承载能力，还要求其寿命长(一般要求 20 年)，安全可靠，运行平稳，且润滑、防腐及密封性能良好。根据其同时承受轴向载荷、径向载荷和冲击载荷的受力特点，由于涉及多学科，要特别注意制造轴承零件所用材料的优选、材料质量控制、工艺措施以及特大型轴承寿命等关键技术的研究和应用。

       目前，在全球风电轴承市场占据统治地位的主要有瑞典SKF、德国FAG、美国TIMKEN和日本MSK等。国内风电轴承企业的产能主要集中在技术门槛相对较低的偏航轴承和变桨轴承上，3MW以下风电设备配套轴承均可批量生产，国产替代率已达到80%以上，年产能已达4万套以上；而主轴轴承和齿轮箱轴承的技术含量较高，还是依靠进口，只有部分企业初步介入，尚处于研制阶段。

5.1风电轴承的性能特点

       风电轴承的工况条件比较恶劣，经受温度、湿度和载荷变化范围很大，偏航和变桨轴承要承受很大的倾覆力矩，齿轮箱轴承在启动和制动时要承受很大的冲击载荷，由于要求风电机组在风速达到3~4m/s的条件下即能启动发电，所以轴承应具有低摩擦力矩、高运转灵活性的特点。另外，最关键的是，由于吊装和更换轴承极为不便且成本较高，一次安装拆卸费用即高达几十万到上百万，因此，20年的使用寿命及高可靠性，就成为对风电轴承的基本要求。

       风电主轴轴承的要求无故障运转达13万以上，并具有95%以上的可靠度。据统计，齿轮箱故障中约80%左右是由轴承失效所致。

5.2风电轴承钢类型

     （1）偏航和变桨轴承

       不同部位的轴承采用不同的材料及热处理，偏航和变桨轴承采用40CrMo钢。如何提高其低温（环境温度-40~-30℃，轴承工作温度在-20℃左右）冲击功等力学性能是关键。轴承热处理工艺关注：表面感应淬火的淬硬层深度、表面硬度、软带宽度和表面裂纹尤其是齿根部位裂纹的控制。由于此类轴承技术难度相对较低，准入门槛低，轴承国产化率可达80%以上。

     （2）增速器轴承

       由于承受的扭矩和转速波动范围大，传输负载易突变，箱体质量与安装空间有限制，安装平台存在柔性变形等，因而与传统的重载工业齿轮箱的应用环境相去甚远。目前，在各部件失效造成风力发电机停机中，齿轮箱失效所占比例最高，为20%左右。国内增速器轴承和主轴轴承依靠进口，主要有瑞典SKF、德国FAG、美国TIMKEN 和日本NSK等。我国尚处于研制阶段。

       由于增速器在工作过程中，齿轮磨损产生的微小金属颗粒在轴承工作表面形成压痕，压痕边缘形成高的应力集中，成为疲劳源，最终导致剥落，缩短轴承使用寿命。日本NSK公司开发的中碳合金钢经碳氮共渗的STF和HTF钢，通过严格控制碳氮共渗工艺，使零件表面得到较多的稳定残余奥氏体（体积分数约30~35%）和大量细小的碳化物、碳氮化物。后者可保证表面的硬度和耐磨性，使压痕不易形成；前者可以降低压痕的边缘效应，阻止疲劳源的形成和扩展，从而大大提高轴承在如齿轮箱这样的污染润滑工况下的使用寿命。

       中国机械行业标准规定齿轮箱轴承的套圈和滚动体采用电渣重熔冶炼的高碳铬轴承钢GCr15SiMn和GCr15SiMo，按《军用高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理质量要求》的规定进行热处理。对于GCr15SiMn和GCr15SiMo钢，由于Si、Mn等元素含量提高，更容易引起铸坯偏析，因此在冶炼中要采用有效措施控制偏析。同时，非金属夹杂物成为制约轴承钢性能的关键因素。提高钢的纯洁度，降低夹杂物含量，改善夹杂物的性质和形态以减轻其对钢的危害。GCr15SiMn和GCr15SiMo钢制成的轴承失效主要是由于成分偏析及夹杂物引起的，同时也应采用合理的热处理工艺。因此，应严格控制轴承钢的冶金质量，并优化设计合理的热处理工艺。来保证其获得合格力学性能和提高其疲劳寿命。GCr15SiMn和GCr15SiMo相比，后者淬透性更好些。

5.3风电轴承钢质量控制

       从轴承钢冶金质量方面：必须保证严格的化学成分，极低的氧含量和残余元素含量，特别要保证高的洁净度，尤其是要降低对轴承寿命有严重危害的脆性夹杂物的尺寸及数量，严格控制铸坯的内部疏松、偏析、显微孔隙等。对于轧（锻）材及热处理工艺控制，严格控制表面脱碳层，要严格控制钢的组织均匀性和碳化物分布的均匀性；控制淬火组织中马氏体碳含量、形态及体积量，控制碳化物颗粒尺寸和弥散分布状态，严格控制残留奥氏体量以保证轴承钢性能。同时对钢材的尺寸精度也有严格要求。其质量控制目标需满足以下几个方面：

     （1）高洁净度：极低O含量，钢全氧含量＜15×10-6；极低Ti含量，w(Ti)控制在18×10-6以内；低的P、S含量。此外，还需满足w(H)＜1.8×10-6、低的残余有害元素Sb、Sn、As、Pb和Bi含量。

     （2）窄成分控制：各主要化学元素波动范围分别为：Δw(C)＝0.05%，Δw(Si)=0.10%，Δw(Cr)＝0.10%，Δw(Mn)＝0.10%。

     （3）氧化物类夹杂物和TiN夹杂物极细化：电渣钢非金属夹杂物A+B+C+D四项之和不大于2.0级。钢中Ds类非金属夹杂物不大于1.0级。

     （4）凝固宏观偏析指数（C、S）小于1.05%。

     （5）钢材塔形检验满足无发纹的要求。

     （6）热加工要求的轴承钢，碳化物液析小于等于1.0级、碳化物带状组织小于等于2.5级、不允许有显微孔隙。滚动体碳化物网状小于等于2.5级，球化组织控制在2~4级。钢材表面无脱碳、裂纹等表面缺陷。

     （7）轴承钢探伤实物质量等级达到GB/T6402-2008规定的4级质量等级。

       此外，根据轴承结构设计和尺寸大小，所用轴承钢轧材多需要经过下道工序的拉拔、锻造、球化退火和热处理等加工工序，最终制成轴承部件的坯材，因此轧材在下道工序的加工性成为一个重要问题。

六、我国风电用特殊钢发展展望

       国家在“十三五”期间仍然把高品质特殊钢作为战略性新兴产业，中国特钢行业将迎来新一轮发展，这是从根本上改变中国特钢落后面貌，整体提升中国特钢产业技术水平和战略产品研发水平的重要机遇期。要抓住这一历史性机遇，依靠国家重点科技计划，建立起产-学-研-用战略研发联盟，采用先进特钢产业发展理念，开发、应用高品质风电特殊钢，顶替进口，并用高端特殊钢控制技术支撑钢铁企业做强，提高中国特钢产品竞争力，满足国家重点工程需求。

1、GB5226.1-2008 机械电气安全

2、GB19517-2009国家电气设备安全技术规范