Energi & Lingkungan

Faktor Kegagalan Gearbox Turbin Angin

Faktor Kegagalan Gearbox Turbin Angin

Pemeliharaan turbin angin dapat mencakup berbagai macam aktivitas, tetapi salah satu masalah utama terkait dengan perbaikan atau penggantian gearbox turbin angin, yang sering gagal sebelum waktunya sebelum masa pakainya mencapai 20 tahun. Beberapa proyek pembangkit listrik tenaga angin mengalami tingkat kegagalan hingga 50 persen dalam kurun waktu beberapa tahun. Hal ini, pada gilirannya, meningkatkan biaya melalui peningkatan waktu henti, peningkatan perawatan, serta rekondisi dan penggantian kotak roda gigi.

Salah satu alasannya adalah fakta bahwa industri ini sangat baru dibandingkan dengan industri lain, tetapi mungkin juga karena kecepatan pengembangan turbin angin dengan desain yang lebih besar yang masuk ke pasar. Pemahaman yang buruk tentang beban turbin adalah faktor lain seperti masalah yang muncul dengan retak aksial pada bantalan turbin.

Pada tahun 2007, National Renewable Energy Laboratory (NREL) mendirikan NREL Gearbox Reliability Collaborative untuk menilai mengapa kegagalan gearbox terjadi dan bagaimana mengatasi masalah tersebut. Laboratorium Nasional Sandia di Albuquerque juga melihat masalah ini. Hasilnya adalah keinginan yang lebih besar untuk membagikan data yang dihasilkan kepada masyarakat umum, padahal sebelumnya industri agak enggan untuk melakukannya. Keuntungan melakukannya adalah memungkinkan industri untuk menjelaskan kepada publik apa yang dilakukannya untuk membantu menurunkan biaya tenaga angin.

Misalnya, pada tahun-tahun sebelumnya, pengujian skala besar mahal, jadi produsen peralatan asli (OEM) cenderung melakukan pengujian singkat, dan tidak banyak yang melakukan pengujian tersebut. Namun, pengujian sekarang lebih ekstensif, umumnya dilakukan pada tegakan pengujian besar, dan karenanya juga lebih ketat.

Pengujian fase 1 dari gearbox turbin angin di NREL [Sumber Gambar: NREL]

Pengetahuan tentang bagaimana kotak roda gigi turbin angin menanggapi beban sekarang sangat ditingkatkan, seringkali berkat perangkat lunak desain yang dikembangkan oleh perusahaan seperti Romax Technology, yang berbasis di Troy, Michigan, yang telah menghasilkan paket perangkat lunak yang disebut Romax Wind. Dilengkapi dengan perangkat lunak semacam itu, para insinyur jauh lebih mampu menilai secara akurat tekanan yang dikenakan pada roda gigi dan bantalan dan ini berarti mereka ditempatkan lebih baik untuk dapat mengembangkan turbin angin yang lebih tangguh.

Misalnya, sekarang menjadi cukup jelas bahwa sebagian besar kegagalan kotak roda gigi turbin angin, terhitung 76 persen dari kegagalan, disebabkan oleh kegagalan bantalan, meskipun ini bukan satu-satunya masalah tentunya. Keretakan aksial pada bantalan adalah salah satu penyebab utama kegagalan tersebut.

Selain retak aksial pada bantalan, kontaminasi pelumas dengan partikel tajam dapat menyebabkan kegagalan melalui lubang pada rol bantalan. Ini dimulai sebagai micropitting, juga dikenal sebagai pewarnaan abu-abu atau frosting karena warna yang disebabkan oleh adanya retakan mikroskopis yang umumnya terlalu kecil untuk terlihat sendiri tetapi secara kolektif menyebabkan permukaan mengadopsi warna abu-abu. Permukaan roller kemudian melemah yang mengakibatkan hilangnya toleransi presisi. Kontaminan biasanya berupa bahan seperti pasir, karat, serpihan dari mesin, debu gerinda dan percikan serta serpihan yang disebabkan oleh keausan. Sayangnya, sebagian besar partikel ini tidak dapat disaring keluar dari pelumas.

Bintik-bintik hitam adalah kontaminan dalam minyak [Sumber Gambar: NREL]

Gearbox berkecepatan tinggi sering kali mengalami tingkat kegagalan yang tinggi. Para insinyur cenderung memasangnya di turbin angin karena ini memungkinkan mereka juga memasang generator kecil, sehingga menurunkan biaya di muka. Trennya sekarang lebih mengarah pada pemasangan gearbox kecepatan sedang. Ini memiliki lebih sedikit roda gigi dan bantalan dan oleh karena itu jauh lebih dapat diandalkan, tetapi juga lebih mahal. Namun demikian, gearbox kecepatan sedang dapat meningkatkan jumlah turbin yang beroperasi pada satu waktu, sehingga meningkatkan jumlah energi bersih yang dihasilkan dan menciptakan ribuan pekerjaan dalam desain, manufaktur, dan pengoperasian.

Banyak gearbox gagal karena tempering gerinda. Ini terjadi ketika suhu bagian roda gigi melebihi suhu tempering baja yang dibuatnya. Ini, pada gilirannya, mengurangi kekerasan dan kekuatannya. Untuk mengatasi ini, OEM meminta pemasok mereka untuk memeriksa roda gigi apakah ada temperamen kasar. Proses yang disebut etsa nital dapat digunakan untuk mengidentifikasi perbedaan struktur mikro dalam komponen sehingga memungkinkan identifikasi area yang rusak akibat pemesinan atau pembakaran gerinda. Jika area seperti itu tidak mendingin dengan baik, bisa menjadi terlalu panas. Mereka akan tampak lebih gelap di bawah tes etsa asli daripada area yang tidak rusak.

Dimasukkannya partikel asing ke dalam roda gigi menyebabkan peningkatan tegangan. Jika cukup besar dan cukup dekat dengan permukaan kontak aktif, maka akan menyebabkan roda gigi mati sebelum waktunya. Solusi untuk ini adalah pengujian non-destruktif seperti pengujian ultrasonik array bertahap yang membantu mengurangi jumlah 'inklusi' dan dengan demikian jumlah kegagalan gigi.

Kembali ke masalah retak aksial yang disebutkan sebelumnya, ini adalah penyebab umum kegagalan kotak roda gigi turbin. Retak aksial pada bantalan biasanya terjadi dalam bentuk retakan panjang pada cincin bagian dalam suatu bantalan. Kadang-kadang disebut 'retakan etsa putih' karena area putih tidak beraturan yang muncul pada permukaan bantalan saat diukir secara kimiawi dan diperiksa menggunakan mikrograf. Ini adalah masalah yang mengganggu kotak roda gigi semua pabrikan dan bantalan rol silinder sangat rentan. Perlakuan panas selama pembuatan dapat memperburuk masalah karena pendinginan yang tidak seragam dapat menyebabkan tekanan lokal yang menyebabkan keretakan. Bentuk perlakuan panas tertentu yang dikenal sebagai karburisasi kasus dapat membantu mengurangi terjadinya retak aksial pada bantalan. Ini melibatkan komponen yang ditempatkan dalam tungku atmosfer karbon, diikuti dengan pendinginan dan temper, menghasilkan inti karbon rendah yang diperkuat dan cangkang karbon tinggi yang keras.

Kecepatan tinggi dan kerusakan gigi tingkat menengah [Sumber gambar: NREL]

Cracking juga dapat terjadi karena transformasi austenit menjadi martensit yang tidak sama. Martensit adalah bentuk baja yang sangat keras. Transformasi martensitik terjadi saat mendinginkan logam tertentu dan seringkali saat austenit didinginkan hingga suhu kamar. Austenit adalah alotrop besi, alotropi adalah sifat dari beberapa unsur kimia yang ada dalam dua atau lebih bentuk berbeda dalam keadaan fisik yang sama. Misalnya, alotrop karbon termasuk intan, grafit, grafena, dan fullerene. Selain austenit, dua alotrop besi lainnya adalah besi alfa (ferit) dan besi delta. Austenit juga dikenal sebagai besi gamma. Jika transformasi austenit menjadi martensit tidak seragam, ini dapat menyebabkan laju pendinginan yang berbeda, yang pada gilirannya menyebabkan pertumbuhan, penyusutan, dan distorsi puntiran yang menyebabkan retak.

Keretakan aksial masih belum sepenuhnya dipahami, tetapi solusi lain, selain perlakuan panas karburisasi kasus, dapat berupa pelapisan oksida hitam pada bantalan. Ini dapat meningkatkan sifat struktural baja yang digunakan untuk membuat bantalan sekaligus mengeluarkan hidrogen. Ini penting karena hidrogen dapat menyebabkan baja menjadi rapuh. Sumber hidrogen dapat mencakup oli kotak roda gigi, kelembapan dalam oli, dan berbagai aditif oli. Sumber lain mungkin adalah pelepasan elektrostatis dari sistem kelistrikan atau pelumasan yang dapat mengekstraksi hidrogen dari air dan minyak di gearbox.

Meskipun kegagalan kotak roda gigi memang merupakan masalah yang terus-menerus di sektor angin, pemahaman tentang masalah ini terus meningkat, dan dengan itu keandalan turbin angin.

Tonton videonya: Wind Turbine GearBox Assembly sks (Oktober 2020).