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《风力发电用轴承钢》标准编制说明

发布时间：2013-01-18 浏览次数：1044

　　一、任务来源
　　风电是世界上发展速度Z快的能源，1998~2004年均增长率为30.46％。近年来，不排放地球温室气体CO₂的自然能源的利用日益受到关注。其中风力发电机（风车）正在以欧美为中心，进行快速发展。2008年新装机量为28GW，到2009年为止，世界总装机量达到了122GW，提供了世界电力总需求量的1.3%。过去5年风力发电的增长率约为27%，预计在2013年以前，将以年平均增长率16%的速度发展。以美国绿色新经济政策为代表，世界范围内的自然能源的利用将会大大加速。
　　我国有丰富的风能资源，风能总储量为32.26亿千瓦/年，实际陆上可开发风能总量约2.5亿千瓦/年，居世界第三位，与可开发的水电装机容量3.78亿千瓦/年为同一数量级，具有形成商业化、规模化发展的资源潜力。
　　在风力发电设备中风力发电机起着很大的作用。在今后风力发电机大型化的发展过程中，开发轻量、紧凑型的高可靠性风力发电机轴承是发展方向。此外，为减少维修成本，提高轴承和润滑剂工作状况的监控技术和预先维护技术的精度和可靠性也成为风力发电成套设备的关注内容。
　　风电轴承是风电传动过程中极其重要的部件，目前风电用轴承钢市场量大、前景广阔，由于没有统一的国家标准，造成市场质量要求的混乱，制约了我国新能源产业的健康发展，根据国家标准化管理委员会的要求，围绕满足经济社会发展需要，按照有利于加快经济发展方式转变和产业结构调整、提高产品质量安全、增强产业竞争力的总体要求，全国钢标准化技术委员会轴承钢分技术委员会秘书处提出了制定《风力发电用轴承钢》国家标准项目的工作计划，该项工作计划在全国钢标准化技术委员会2010年年会上提交委员们讨论并获得通过。
　　通过《风力发电用轴承钢》国家标准的制定，规范风电用轴承钢技术质量要求，规范市场，填补我国没有风力发电用轴承钢国家标准的空白，使国内钢铁行业有一个统一的生产和验收的技术依据，同时提高我国风电用轴承钢棒材的生产技术水平及产业化的规模，扩大中国风电轴承钢生产技术在世界的影响力，替代进口，同时通过标准化和产业化，限制低端轴承钢产品的生产，淘汰一些落后的产能，提高风电轴承钢的使用寿命，推动我国风电能源产业的快速发展。
　　2010年全国钢标委轴承钢分委会秘书处在广泛征求国内风电轴承钢生产企业及轴承用户意见的基础上，拟定了《风力发电用轴承钢》国家标准草案，并向全国钢标委递交了《风力发电用轴承钢》国家标准制定项目的立项建议书，根据国家标准化管理委员会国标委综合***********文件的要求，由江阴兴澄特种钢铁有限公司、冶金工业标准信息研究院、湖北新冶钢公司等单位承担国家标准《风力发电用轴承钢》项目的制定工作。根据国标委的文件要求，在2012年之前完成该项标准的制定工作。
　　二、国内外情况的简要说明
　　1、风力电发设备的国内外简况
　　一般的风力发电机的结构是叶片接受风力，通过转子使主轴转动，利用增速机将转速加速到能够发电的速度，通过发电机进行发电（感应发电机）。目前，感应发电机（带增速机）是风力发电机的主流，但也有一部分是同步发电机。此外，为了进一步增加发电量，风力发电机正在向大型化的方向发展，目前2MW级（1.5MW～2.5MW）的风力发电机是主流发电机。在海上和陆地上的不受运输和安装工程限制的地方已经装置了5MW级的风力发电机。降低这种大型风力发电机的制造成本和安装成本，对于今后促进风力发电机的发展是十分重要的，并且开发轻量化、紧凑型的风力发电机成为目前国内外的研发趋势。为此，采用了主轴部与增速机组合成一体的风力发电机和增速机与同步发电机组合成一体（多叶片）的风力发电机。
　　此外，为减少维修成本，提高轴承和润滑剂工作状况的监控技术和预先维护技术的精度和可靠性也是目前风电设备制造的研发方向。对风力发电机轴承的设计要求是要具有20年设计寿命。同时还要适应在以秒为单位的短时间内发生转动速度和负荷的变化，并且还要注意轴承周围部件的刚性。
　　主轴轴承通过转子承受风力引起的负荷，并将转动力矩传递给增速机。主轴轴承有多种类型，主要采用的是耐负荷性良好的自动调整式轴承，轴承寿命的合格标准要大于等于175000小时（20年以上）。
　　增速机由支架、行星齿轮、低速轴、中间轴和高速轴组成。增速机轴承的作用是承受由主轴传递来的转动力矩造成的齿轮咬合负荷，并使转速增加到可以发电的速度。增速机输出轴的转速约为1800转/min。增速机的行星齿轮承受很大的力矩负荷，因此要提高行星齿轮的刚性。为提高行星齿轮的刚性，目前开发出一体化轴承结构（轴承外环和行星齿轮一体化）。美国齿轮制造协会（AGMA）制定了增速机轴承选定标准。与主轴轴承选定一样，应进行包括轴承内部各元件、轴和轴承箱的刚性以及润滑等因素在内的使用寿命的研究。
　　2、风力发电机用轴承钢的国内外简况
　　经过100多年的开发,上轴承钢已形成高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、中碳轴承钢、不锈轴承钢、高温轴承钢等系列，轴承钢的相关生产技术也已日趋成熟，且采用专业生产线制造各类轴承钢。中国轴承钢的产能已达200万t/a以上，但在品种、标准、实物质量、专业生产方面存在较多问题，目前世界轴承钢的发展方向是：钢材纯洁度的超纯化(O+Ti≤10μg/g)和钢中碳化物的充分均匀化，以及制造成本的不断降低；特殊工况条件下的长寿命轴承钢品种的开发；近年来如何改进轴承钢的冶炼方法、技术和工艺，严格控制（检验标准、检测方法）轴承钢材中的非金属夹杂物的含量、尺寸大小、形状、分布和集聚，以此提高轴承的安全可靠性和使用寿命，已成为冶金和机械行业共同关注和努力的目标，亦是国内外轴承钢的技术研发的方向。
　　风电轴承大致可以分为三类，即：变桨轴承、偏航轴承、传动系统轴承(主轴和变速箱轴承)。偏航轴承安装在塔架与座舱的连接部，变桨轴承安装在每个叶片的根部与轮毂连接部位。每台风力发电机设备用一套偏航轴承和三套变桨轴承。风力发电机组的轴承装量(见下表) ：

　　偏航、变桨轴承套圈的材料选用42CrMo，热处理采用整体调质处理，调质后硬度为229HB-269HB，能够承受冲击而不发生塑性变形，滚道部分采用表面淬火，淬火硬度为55HRC-62HRC，-20℃Akv不小于27J，要求偏航、变桨轴承寿命达到20年。
　　风电回转支撑轴承材料一般采用1Cr5Mo，12CrMoG，38CrMoAl，40CrNiMoA，15CrMo，GCr15SiMn，45H，H13，42CrMo，20Cr，35CrMo。
　　风力发电机组轴承是在恶劣工况条件下工作的轴承。偏航和变桨轴承要承受很大的力矩，变速箱轴承在启动和制动时要承受很大的冲击载荷，等等。同时，要求20年免维修，如在20年质保期内轴承损坏，索赔费用很高。我国轴承行业对风电轴承的设计、制造和试验技术还远远没有吃透，比如主轴轴承是用哪一类轴承为好，变桨轴承是用哪一种结构的回转支承为好，跨国轴承公司也尚在研究之中。目前，国内开发生产的风机轴承主要是变速器轴承和电机轴承，但性能和寿命还达不到要求。因此，90%左右的变速器轴承和电机轴承仍然依赖进口。偏航轴承总成和风叶主轴轴承总成还在研制之中，国内除洛轴、瓦轴等大型国有企业有少量试制外，很少有厂家生产，基本属国内空白。
　　对于风电用轴承钢材料，国外先进的企业标准主要是以SKF、NSK、FAG、NTN等为代表的客户自行制定的材料采购企业标准，目前国内还没有与之相对应的国家标准和行业标准，国内著名的一些轴承钢生产企业也都根据各自的生产工艺和实物质量制定了各自的企业标准。
　　我国近几年开始研发风力发电机用轴承钢，部分牌号开始逐步实现产业化并替代了进口，填补了我国风电用轴承钢生产的空白，牌号逐步增多，能生产的规格也逐步扩大，当时为各轴承厂提供的棒材的质量要求依据，为双方签订的技术协议，采用的标准和国外先进标准主要有《ISO683-17 热处理钢、合金钢和易切削钢第17部分：滚珠和滚柱轴承钢》、《SKF D33-1 Grade 3、Grade 4、Grade 5、Grade 6、Grade 7》。
　　目前国内生产风力发电机用轴承钢的企业有兴澄特钢、湖北新冶钢、宝钢特钢分公司等。
　　三、标准制定原则
　　(1)、积极采用标准和国外先进标准，引用和引导新工艺新技术的应用，引领行业的技术进步；
　　(2)、充分考虑国家轴承行业的发展战略和发展趋势，通过标准化推行国家的产业发展政策，体现行业的发展方向和行业的科技发展水平；
　　(3)、以满足我国轴承制造产业的需要和发展为前提，体现目前国内风电轴承钢的实物质量水平，提高标准的市场适应能力；
　　(4)、综合考虑企业生产成本及国内外原料资源的供应情况，降低生产成本，节约能源、降低原料消耗，实现低碳经济的发展模式。
　　四、技术条款编制说明
　　1、适用范围
　　本标准规定了风力发电用轴承钢连铸坯、热轧棒材及锻材的尺寸、外形、重量及允许偏差、技术要求、试验方法、检验规则、包装、标志和质量证明书等要求。
　　本标准适用于制造风力发电设备中偏航轴承、变桨轴承、主轴轴承、增速机轴承及发电机轴承备件所用的合金结构钢，其它用途的棒材可参照本标准执行。
　　备注：其他轴承钢标准中已经列入的牌号，本标准不再列入。
　　2、尺寸、质量及允许偏差
　　热轧材的尺寸公差采用GB/T 702 第二组的尺寸精度。锻材的尺寸公差采用GB/T 908的表3的规定。
　　连铸圆坯的外形尺寸根据国内的实物质量确定。
　　3、牌号及化学成分
　　本标准中的牌号采用了GB/T 3077中的两个牌号：42CrMo、20CrMnMo，相当于ISO 683-17标准中表面淬火类轴承钢的1个牌号（B26）20CrMo4，感应淬火轴承钢的1个牌号（B43）43CrMo4，增加了冶钢目前生产的两个风电用轴承钢的牌号-G50CrMnMo和G55SiMoV。
　　G42CrMo牌号的成分采用GB/T 3077中42CrMo牌号的成分，参照ISO标准，增加了对Al和【O】的要求。目前该牌号为我公司生产的风电轴承钢的主要牌号，其中供平山重工的G42CrMo钢Mn含量上线为0.85%，ISO 683-17标准中43CrMo4的Mn含量为0.90%，因此将该牌号的Mn含量上线调整为0.85%，Mo含量上线调整为0.30%（与ISO 683的43CrMo4的Mo含量相同）。
　　G20CrMnMo采用ISO 683-17标准中20CrMo4牌号的化学成分，该成分与我国GB/T 3077标准成分的差别在于Mn和Cr含量的差别，Mo含量上线调整为0.30%（与GB/T 3077中的Mo上线相同）。
　　本标准牌号与标准牌号的对照如下表所示。

　　本标准牌号的表示方法，采用GB/T 221钢铁产品牌号表示方法，在合金结构钢的牌号之前增加“G”代表轴承钢。
　　国标与标准的牌号化学成分对照如下表所示：

　　钢的残余元素及成品钢材化学成分允许偏差均采用《碳素轴承钢》标准的相关规定。
　　4、低倍
　　低倍检验合格级别根据国内实物质量确定，考虑到国内钢厂及用户对ASTM E381的认可，保留了国外用户要求采用的ASTM E381低倍检验标准，并作为协议项。
　　5、非金属夹杂
　　高倍非金属夹杂的合格级别根据国内实物质量确定，鉴于国内钢厂及用户已经采用高频超声波试验方法检测试样的宏观非金属夹杂物，因此标准中增加了国外用户要求采用的高频超声波试验方法，并作为协议项。
　　6、本标准的说明
　　本标准为推荐性国家标准。