Vindmøllekomponenters udmattelsesstyrke og levetid

Formålet med projektet har været at udvikle probabilistiske metoder til vurdering af udmattelsesstyrkern og levetiden for de større møllekomponenter. Som emner er valgt et støbejernsnav, en hovedaksel af legeret stål og en bundramme opsvejset i almindelig konstruktionsstål. Motiveringen er, at med øget størrelse af møller og svært tilgængelige placeringer f.eks. på havet bliver de økonomiske konsekvenser af utilsigtet materialebrud meget store. Metoderne, der anvendes, er baseret på elastisk brudmekanik. Resultaterne skal gøre det muligt at vurdere økonomiske risici ved bygning af store vindmølleparker. Der var i ansøgninge opstillet en række analyser og undersøgelser, som tilsammen skulle danne grundlaget for udvikling af de probabilistiske modeller. Disse var: 1) Analyse af vinddata, 2) Analyse af materialedata, 3) Analyse af spæmdingsberegning (herunder verificering af beregninger ved strain-gauge-målinger på emner, 4) Probabilistisdk vurdering af tiden til dannelse af udmattelsesrevner, 5) Probabilistisk vurdering revnevækst og risici for havari. Den oprindelige plan med alene at betragte levetidsfordelingerne blev udvidet til også at omfatte overvejelser om sikkerhedsindekser og partialkoefficienter i forhold til forskellige antagelser med hensyn til modelusikkerheder. Demonstrationselementet, som bestod i at verificere resultaterne, blev opgivet på et tidligt tidspunkt, da det vurderedes helt urealistisk inden for projektets tidsrammer. Det skyldtes, at de teoretiske undersøgelser viste betydelige variationer i levetider fra 10 år til 1.000 år, hvilket selvsagt er svært at verificere selv i en accelereret test. De væsentligste usikkerheder ligger ifølge projektgruppen i parametre, som ikke er knyttet direkte til materialerne. Projektgruppen foreslår afslutningsvis en metode til forståelse af mere subjektive usikkerheder, som ligger hos de personer, der vælger sikkerhedsforudsætninger. Ligeledes blev delprojektet omkring undersøgelse af revnevækst fravalgt, da det er forholdsvis lille del af levetiden, det har indflydelse på. Projektet er mundet ud i, at resultaterne skal betragtes som generelle udsagn med et afsæt i de udvalgte eksempler på komponenttyper. Der redegøres for den statistiske usikkerhed omkring bestemmelse af SN-kurverne, middelvindfordelingen baseret på et års måleserie. Modelusikkerhederne relateret til spændviddebestemmelsen får meget stor betydning for levetiden, da den indgår i anden potens i beregning af Wøhlerkurven.Spændviddebestemmelsen er påvirket af både usikkerheden omkring laster og materialer. De tre vindmøllekomponenter, som var genstand for undersøgelse, viste meget forskellige sikkerhedsniveauer. Det skyldes ifølge projektdeltagerne f.eks., at komponenterne er fra forskellige producenter, der ikke nødvendigvis har samme designstrategier, f.eks. kan levetidskrav til enkelte komponenter være forskellig for forskellige vindmøllekoncepter. Specielt hovedakslen viste et meget lavt sikkerdsniveau. Projektdeltagerne konstaterer, at når man går ned i diskussion omkring usikkerhedskilder om vindmøllerespons simuleringer, spændingsviddefordelinger og anvendelse af SN-kurver, så bliver billedet 'så komplekst og detaljeret, at det er svært at overskue'. På det grundlag anbefales en anden metode som bidrag til bestemmelse af usikkerhederne: Invitere en række fagfolk til at give hver deres vurdering af levetiden for en komponent - resultatet af sådanne vurderinger vil så kunne give et indtryk af spredningen i usikkerheden hidrørende fra de subjektive valg, den enkelte designer. Der er kommet følgende output fra projektet: 1) Hovedrapport på engelsk: Examples of fatigue lifetime and reliability evaluation of larger wind turbine components, 2) Derudover seks bilagsrapporter, hvoraf de tre omfatter levetidsberegninger for henholdsvis nav, aksel og bundramme. De øvrige dækker: Metodevalg for probabilistisk analyse, udmattelses- og brudegenskaber for udvalgte metalliske materialer anvendt i vindmølleindustrien - relateret til de komponenter der er undersøgt, SG-jern (nav), legeret stål (hovedaksel) og konstruktionsstål (bundramme). Endelig er der et bilag om korrektion af SN-kurverne. De deltagende faggrupper fra Elsam Engineering, Risø og fra fabrikanterne har arbejdet seriøst med opgaven og vurderes at være kompetente på deres respektive områder. Projektet har dog lidt under skift i aktørkredsen hen igennem projektet. Projektets resultater bærer præg af en forudgående for svag og upræcis vurdering af mål og metoder i forhold til projektets tidsrammer og budget. Resultaterne ligger forholdsvis langt fra ambitionerne i ansøgningen. Det fremgår ikke af rapporten, at man er nået frem til bare tilnærmelsesvis at kunne give nogle konkrete anbefalinger til, hvordan den samlede usikkerhed kan vurderes, ej heller er der udviklet anvendbare probabilistiske modeller til beregning af den samlede usikkerhed og dermed grundlag for vurdering og rangordning af deres bidrga til usikkerheden omkring den samlede levetid. Det er projektgruppens opfattelse at der kræves betydeligt mere kvalificeret input fra praktisk dokumenterede belastningssituationer på en række komponenter og materialer for at kunne bidrage til en faglig kvalificeret korrektion af partialkoefficienterne, der anvendes i dag. Gennemførelse vurderes at have givet en vindfarmoperatør et bedre grundlag for at vurdere de forudsætninger, som en leverandørs påståede levetid for sit produkt er baseret på. Analyserne har desuden bidraget til en kalibreringundersøgelse af partialkoefficienterne, som ligger til grund for beregning af komponenterne i dag. Rapportens konklusioner er svage, sikkert fordi grundlaget er ufuldstændigt og opgaven langt mere kompleks end antaget forud for gennemførelsen. Projektet har hos de involverede parter givet en betydelig indsigt i de enkelte bidrag til usikkerheder og deres samspil for en vindmølles samlede usikkerhed. Ligeledes er der opnået en indsigt i, hvilke usikkerheder der bidrager væsentligst til levetidsantagelserne. Der er imidlertid ikke kommet nogent generel anvedelig usikkerhedsmodel ud af projektet. Altså ikke noget brugbart designværktøj