Tuulivoimaloiden teräsosissa käytettävät teräslaadut

Abstract

Tässä kandidaatin tutkielmassa tutustutaan kirjallisuuskatsauksen muodossa tuulivoimaloiden rakenteissa käytettyihin materiaaleihin. Huomio keskittyy erityisesti teräsosiin, niiden valmistamiseen sekä ominaisuuksiin. Työssä pyritään selvittämään, miksi tietyt materiaalit ovat vakiintuneet käytettäviksi tuulivoimalan eri osissa. Tärkeimpiä materiaalilta vaadittavia ominaisuuksia kantavissa rakenteissa ovat mekaaniset ominaisuudet sekä hitsattavuus. Kulutuskestävyyttä vaativissa teräsosissa, kuten vaihteiston hammaspyörissä, suuri pinnankovuus on puolestaan merkittävin ominaisuus. Työssä perehdytään myös terästen korroosioilmiöihin erityisesti offshore- eli meriolosuhteissa ja dynaamisiin voimiin eli tuuleen sekä aaltoihin liittyvään väsymiskestävyyteen.

Koska tuulivoima on vihreä, uusiutuva energianmuoto, otetaan tässä tutkielmassa myös huomioon ympäristönäkökulma käytettyjen materiaalien osalta. Tämän takia myös tuulivoimalan lapojen epämetalliset materiaalit esitellään työssä lyhyesti. Lapoihin nimittäin liittyy suurimmat voimalan aiheuttamat jäteongelmat siinä vaiheessa, kun se tulee käyttöikänsä loppuun ja puretaan.

Tässä tutkielmassa tullaan siihen johtopäätökseen, että nykyään käytössä olevissa tuulivoimaloissa käytetään pääosin kantavissa rakenteissa S355-luokan termomekaanisesti valssattua HSLA hienoraeterästä, jonka myötöraja on 355 MPa. Se on vakiintunut tuulivoimaloissa käytettäväksi teräsmateriaaliksi hyvän lujuutensa ja hitsattavuutensa takia. Kulutusta kestävissä osissa puolestaan käytetään yleensä kromilla, nikkelillä ja molybdeenillä seostettuja takomalla valmistettuja lämpökäsiteltyjä teräksiä. Hiiletyskarkaisu on lämpökäsittelymenetelmä, jolla saadaan tuulivoimalan vaihdelaatikon hammaspyöriin hyvät kulutuskestävyysominaisuudet.

Käytetyt teräslaadut ovat kuitenkin jatkuvan kehityksen kohteena, jotta tulevaisuuden tuulivoimaloista saadaan isompia, tehokkaampia ja ympäristöystävällisempiä. Kantavien rakenteiden lujuusluokkia tullaan hyvin todennäköisesti nostamaan tulevaisuudessa. Tällä tavalla saadaan vähemmällä määrällä teräsmateriaalia luotua yhtä kestävä rakenne. Samanaikaisesti saavutettaisiin hiilidioksidipäästöjen vähenemistä sekä tuulivoimalakomponenttien ollessa kevyempiä niiden kuljetus helpottuisi tehtaalta asennuspaikalle.

This bachelor’s thesis is a literature review that studies the materials used in wind turbine parts and structures. The attention is focused on the parts made of steel and their production and properties. The main goal is to determine why certain materials are used in certain wind turbine parts. The most important material properties in the supporting structures are the mechanical properties and weldability. In the parts that must tolerate big amounts of surface wearing, hardness is considered the most valuable property. This thesis also studies forms of corrosion in offshore-plants and ways to prevent them. Fatigue and fracture damage tolerance caused by wind and waves is additionally discussed.

Since wind power is seen as a green energy source, environmental aspect is considered regarding to the materials used. For this reason, the non-metallic materials used in the wind turbine blades are briefly introduced. The blades are the main reason for the waste production at the end of the life of a wind turbine.

This thesis concludes that in the currently working wind turbine towers the mainly used steel in the supporting structures is the S355 grade HSLA (High-Strength-Low-Alloy) steel. It is a structural steel and has a yield strength of 355 MPa. In the parts that need to tolerate surface wearing, the mainly used steel is alloyed with chromium, nickel, and molybdenum and forged into shape and heat treated. The heat treating process that gives the gear wheels their excellent properties is called carburizing.

The currently used steel grades are under constant development. The future wind turbines need to be larger, more efficient, and more environmentally friendly. The strength grades of the supporting structural steels will most likely be higher in the future. This way, a strong structure can be built with fewer materials than before. This would reduce carbon dioxide emissions and the transportation of wind turbine parts from the factory to the plant would be more convenient.