ما هو السبب الأساسي للتآكل والتلف في توربينات الرياح؟

يمكن إرجاع الأسباب الأساسية لتآكل توربينات الرياح إلى تفاعل أربعة عوامل رئيسية: الإجهاد الميكانيكي، والتآكل البيئي، وإجهاد المواد، وعيوب الصيانة. تتراكم هذه العوامل باستمرار على مدار دورة تشغيل توربينات الرياح التي تتراوح بين 20 و25 عامًا، مما يؤدي في النهاية إلى تآكل وتعطل المكونات الرئيسية. سيتم إجراء التحليل التالي بناءً على أبعاد محددة:

صورة
1. الإجهاد الميكانيكي: التأثير المستمر للأحمال الديناميكية

1. تقلبات الحمل الديناميكي الهوائي: أثناء عملية الدوران، تتحمل الشفرات قوى ديناميكية هوائية غير متماثلة، خاصةً في رياح مضطربة، حيث يمكن أن يصل التغير اللحظي في سرعة الرياح إلى ± 30% من القيمة الاسمية. على سبيل المثال، وحدة فيستاس V164-9.5MW، يمكن أن يصل عزم الانحناء عند قاعدة شفرة واحدة قطرها 164 مترًا إلى 150 مليون نيوتن متر عند سرعة رياح تبلغ 12 مترًا في الثانية، مما يُسبب أحمالًا صدمية دورية على مكونات ناقل الحركة، مثل العمود الرئيسي وعلبة التروس، مما يُسرّع تآكل مسارات المحامل وأسطح أسنان التروس نتيجة التعب.

2. اقتران قوى الجاذبية والقصور الذاتي
يتجاوز وزن غرفة المحرك في أعلى البرج 300 طن، مما يُولّد عزم قصور ذاتي أثناء حركة الانحراف. تُظهر بيانات الرصد من مزرعة رياح بحرية مُعيّنة أن زوج تروس نظام الانحراف يحتاج إلى تحمّل أكثر من 10 ⁸ أحمال متناوبة خلال دورة تشغيل مدتها 20 عامًا، مما يُؤدي إلى عمق تآكل في سطح الأسنان يبلغ 0.5 مم، ويؤدي في النهاية إلى كسر التروس.

3. بدء وإيقاف الدورة
يؤدي التشغيل والإيقاف المتكرر الناتج عن تقلبات سرعة الرياح إلى عزم صدمات لمحمل سلسلة ناقل الحركة. وقد أظهرت التجارب أن كل دورة تشغيل وإيقاف تزيد من تآكل الحركة الدقيقة لمحامل علبة التروس بمقدار 0.2 ميكرومتر. بعد 50,000 دورة تشغيل، يتمدد خلوص المحمل إلى ثلاثة أضعاف قيمته الأولية، مما يسبب اهتزازًا مفرطًا.

2. التآكل البيئي: التأثيرات التآزرية للمجالات الفيزيائية المتعددة

1. تآكل الجسيمات

في الصحاري أو مزارع الرياح الساحلية، قد يصل محتوى الرمل في الهواء إلى 0.5 ملغم/م³. ستتعرض الحافة الأمامية للشفرة لأكثر من 10¹⁰ من اصطدامات جزيئات الرمل خلال 20 عامًا من التشغيل، مما يؤدي إلى تقشر طبقة السطح بسمك 0.3 مم وانخفاض الكفاءة الديناميكية الهوائية بنسبة 5%. تُظهر بيانات إصلاح الشفرة في إحدى مزارع الرياح في الشمال الغربي أنه عندما يتجاوز عمق حفرة التعرية 0.8 مم، يلزم استبدال الشفرة بأكملها.

2. التآكل الناتج عن رذاذ الملح

يبلغ تركيز الملح في هواء مزارع الرياح البحرية ما بين 10 و20 ضعف تركيزه في الهواء على اليابسة، ويُسبب الكلوريد تآكلًا كهروكيميائيًا عند مفاصل الشفرات، بمعدل تآكل سنوي يبلغ 0.05 مم. وقد أظهرت دراسة استقصائية أجريت على مزرعة رياح بحرية بريطانية أن 50% من مسامير الشفرات تشققت بسبب التآكل الإجهادي، مما يزيد من خطر انفصالها.

3. التناوب في درجة الحرارة
يؤدي فرق درجة الحرارة بين الليل والنهار إلى تمدد المادة وانكماشها حراريًا، مما يؤدي إلى تآكل ناتج عن الحركة الدقيقة عند تقاطع جذور الشفرات. عند تقلب درجة الحرارة من -40 درجة مئوية إلى +50 درجة مئوية، يصل معدل تفكك سطح شفرات ألياف الكربون والألياف الزجاجية الهجينة إلى 0.01 مم/سنة. بعد 10 سنوات، تتجاوز مساحة تفكك السطح 10%، مما يؤدي إلى انخفاض في قوة الهيكل.

3. إجهاد المواد: التأثير التراكمي للضرر المجهري

1. إجهاد الدورة المرتفع
يجب أن يتحمل الترس الكوكبي لعلبة التروس أكثر من 10⁹ دورة تحميل خلال 20 عامًا من التشغيل، وتظهر شقوق دقيقة عند حدود حبيبات المادة الداخلية. يُظهر تحليل تفكيك علبة تروس وحدة بقدرة 1.5 ميجاوات أن معدل انتشار شقوق التعب لجذر سن الترس الكوكبي يصل إلى 0.1 مم/10⁶ دورة، مما يؤدي في النهاية إلى تقشير سطح السن.

2. انخفاض إجهاد الدورة
يتعرض البرج لإجهاد مؤقت يتجاوز 20% من الحمل التصميمي عند سرعات رياح قصوى (مثل 50 مترًا في الثانية)، مما يؤدي إلى تشوه لدن في منطقة اللحام. كشفت مراقبة مزرعة رياح في منطقة معرضة للأعاصير أن معدل انتشار الشقوق في خط اللحام السفلي للبرج بلغ 0.5 مم/سنة، ويلزم معالجة التعزيز بعد 5 سنوات.

3. التعب التآكلي
تحت تأثير الرش الملحي والإجهاد المتناوب، يُقلل عمر إجهاد التآكل لأساسات البرج في منطقة تناثر مياه البحر بنسبة 60%. وقد أظهرت الاختبارات المعملية المُعجّلة أنه في محلول كلوريد الصوديوم بنسبة 3.5%، ينخفض ​​حد إجهاد تآكل فولاذ Q345 من 280 ميجا باسكال إلى 110 ميجا باسكال، ويزداد معدل انتشار الشقوق ثلاثة أضعاف.

4. عيوب التشغيل والصيانة: التأثير التراكمي للعوامل البشرية

1. فشل إدارة التزييت
تتجاوز دورة استبدال زيت تشحيم علبة التروس القيمة الموصى بها (عادةً من 3 إلى 5 سنوات)، مما قد يؤدي إلى تجاوز قيمة حمض الزيت (TAN) 2 ملغم/كغم، وقد يؤدي فشل الإضافات إلى تآكل الترس الدقيق. تُظهر دراسة حالة لمزارع رياح أن تأخير تغيير الزيت يزيد من معدل فشل علبة التروس بنسبة 40% ويزيد تكاليف الصيانة بمقدار مليوني يوان.

2. قوة ربط مسبقة غير كافية للمسامير
عندما يرتخي مسمار جذر الشفرة نتيجةً للاهتزاز أثناء التشغيل، وتنخفض قوة الشد المسبق إلى 60% من القيمة التصميمية، يزداد معدل تآكل سطح التلامس الناتج عن الحركة الدقيقة خمسة أضعاف. تكبدت إحدى الوحدات خسارة اقتصادية مباشرة تجاوزت 5 ملايين يوان بسبب عطل في وصلة الشفرات بالمحور بسبب ارتخاء المسامير.

3. الانحراف عن المركز يتجاوز المعيار
عندما يتجاوز الانحراف بين العمود الرئيسي وعمود الإدخال في علبة التروس 0.05 مم، يتحمل الوصل قوة شعاعية إضافية، مما يؤدي إلى كسر قفص المحمل. تُظهر إحصائيات إحدى مزارع الرياح أن كل زيادة قدرها 0.01 مم في انحراف التمركز تُقصّر عمر المحمل بنسبة 15%.

5. التطور التكنولوجي واتجاهات التحكم في التآكل

ولمعالجة تحدي التآكل والتلف، تعمل الصناعة على تحقيق اختراقات في الاتجاهات التالية:

ترقية المواد: اعتماد تكنولوجيا طلاء النانو لزيادة صلابة سطح الشفرة بمقدار 300HV وإطالة عمر التآكل بمقدار 2 مرات؛

المراقبة الذكية: نشر أجهزة استشعار شبكية من الألياف البصرية لتحقيق مراقبة عبر الإنترنت لعدد جزيئات زيت علبة التروس، مع تحذير مسبق من الخطأ يصل إلى 300 ساعة؛

التوأم الرقمي: من خلال تحسين هيكل البرج من خلال النمذجة الافتراضية، يتم زيادة عمر التعب في اللحامات بنسبة 40٪؛

التحكم التكيفي: تعمل استراتيجية التحكم في درجة الصوت التي تعتمد على التعلم التعزيزي العميق على تقليل تقلبات الحمل في سلسلة النقل بنسبة 25%.

إن تآكل توربينات الرياح ناتج عن التأثيرات المشتركة للعوامل الميكانيكية والبيئية والمادية والتشغيلية، ويجب أن يستمر التحكم بها طوال دورة حياتها، بدءًا من التصميم والتصنيع والتشغيل. ومع التطور الهائل في تكنولوجيا مراقبة الحالة وتطبيقات المواد الجديدة، ستتحول مزارع الرياح مستقبلًا من "الصيانة السلبية" إلى "الصيانة التنبؤية"، مما يُحسّن بشكل كبير من موثوقية المعدات وكفاءة توليد الطاقة.