Schadeonderzoek aan windmolens

Molens maken een herkenbaar deel uit van de Nederlandse openbare ruimte en zijn zelfs deel van de culturele identiteit. Al eeuwen lang worden ze in de lage landen gebruikt in de strijd tegen het water, maar ze waren ook de basis van de beginnende industrialisatie van de Nederlanden. Vanaf de 16 eeuw zijn windmolen aangedreven zagen gebruikt om de bomen uit de productiebossen te verwerken tot planken voor de scheepsfabricage. Met de huidige energietransitie wint ook de moderne windmolen (wind turbine) aan terrein in het landschap, al ligt dit terrein ook steeds vaker op zee.


Door: ir. Menno van der Laars &  dr.ir. Peter van Houten, IWE - Element 


Met de toenemende vraag naar windenergie nemen de molens in omvang toe, waardoor steeds zwaardere eisen aan de molenconstructies en de toegepaste materialen worden gesteld. Dit vraagt om materiaalkwalificaties, testen en ook analyse indien er schades optreden. Op deze manier wordt verzekerd dat windmolenconstructies geschikt zijn en blijven om deel te maken van onze energievoorziening en ons landschap.

Windturbines

Een windturbine bestaat uit een fundering met een mast waarop een draaibare gondel met wieken is gemonteerd. De gondel met wieken is het voor de buitenwereld zichtbare deel aan bewegende componenten van een windturbine. Met toenemende grootte worden de eisen gesteld aan de roterende delen (bladen, tandwielen en generator) en de vaste verbindingen van de masten steeds zwaarder. Met het toenemende aantal turbines op zee, stelt dit daarbij ook aanvullende eisen aan de bescherming tegen corrosie om weerstand te bieden aan de offshore condities. Vanzelfsprekend bevat de windturbine een dynamisch systeem dat de draaiing van de wieken doorgeeft aan de generator om in elektrisch vermogen om te zetten. Dit betreft een complex systeem dat dynamische belasting moet kunnen weerstaan en piekbelastingen moet kunnen opvangen en daardoor het uiterste vraagt van constructies en toegepaste materialen.Hierbij komen voor de hand liggende onderdelen voor als tandwielen, assen en lagers, maar ook generator koppelingen en rotor onderdelen, met de specifieke materialen die voor deze onderdelen van belang zijn. Door de continue ontwikkelingen in windturbines en daarmee gepaard gaande toenemende belastingen en steeds complexere systemen treedt er nog steeds onvoorzien falen op. Met een gedegen schadeonderzoek kan dit falen worden doorgrond en kunnen correctieve acties worden ondernomen.

Schades uit de windmolenpraktijk: Zwenklager

Windturbines zijn voorzien van een zwenklager om de gondel ideaal in de wind te positioneren. Nadat er afgebroken tanden waren geconstateerd aan het binnentandwiel van een zwenklager is een schadeonderzoek uitgevoerd om het probleem te begrijpen en vervolgens te verhelpen.  Breuken en deformatie van tanden waren aanwezig in een deel van de tanden over ongeveer een derde van de omtrek. De breuken waren alleen opgetreden aan één van de uiteinden van de tanden. Door middel van onderzoek met behulp van raster elektronenmicroscopie (REM) is vastgesteld dat er sprake was van taaie breuk door overbelasting van de tanden. Hardheidsmetingen konden bevestigen dat de harding van de tanden binnen specificatie was en dat materiaalkwaliteit voldeed aan de gestelde eisen. Aan één van de aandrijfmotoren kon op een tandwiel een slijtagepatroon worden vastgesteld dat correspondeerde met de positie van de breuken in het zwenklager. Het slijtagepatroon gaf aan dat de positie van betreffende aandrijfmotor niet correct was waardoor er een piekbelasting op de uiteinden van tanden kon plaatsvinden. De incorrecte positionering was het directe gevolg van gefaalde bouten in de bevestiging van de aandrijfmotor.





Door middel van breukvlakonderzoek werd vastgesteld dat de breuken in de bouten het gevolg waren van vermoeiing. Omdat het ontwerp zichzelf al gedurende jaren had bewezen, betrof de oorzaak van de opgetreden vermoeiing vermoedelijk de montage: vermoeiing van bouten kan optreden indien de bouten op onvoldoende voorspanning worden gebracht.

Gefaalde moeren uit molenfunderingen

Aan de basis van offshore windmolens ligt een monopile fundering. Op deze fundering wordt met boutverbindingen de mast van de windmolen bevestigd en opgebouwd. Door de omvang van deze verbindingen worden een grote serie bouten en moeren van type en klasse M72-10.9 toegepast. Ten behoeve van corrosiebescherming worden deze thermisch verzinkt. In de praktijk hebben zich in verschillende windparken breuken voorgedaan in de boutverbindingen tussen de fundering en mast. Zowel bouten als moeren zijn in meerdere verbindingen gefaald. Een gebroken moer is in het laboratorium van Element Materials Technology nader onderzocht om de aard en oorzaak van het falen te achterhalen. De breuk in de moer bleek gevormd zonder significante vervorming van het materiaal, hierdoor werd een taaie breuk van het materiaal onder overbelasting al direct onwaarschijnlijk geacht. Ook typische semi-concentrische patronen van scheurgroeilijnen (“beach marks”) zijn niet waargenomen op het breukvlak. Op basis van deze waarneming leek ook vermoeiing niet waarschijnlijk.





Door middel van rasterelektronen microscopie (REM) is het breukvlak geanalyseerd om het breukmechanisme te bevestigen. Het REM beeld toonde een brosse interkristallijne breuk. De moer had een relatief hoge hardheid voor een sterkteklasse 10.9 materiaal. Gebaseerd op de verkregen onderzoeksresultaten bleek het schademechanisme waterstofbrosheid te betreffen. Voor het optreden van waterstofbrosheid in bouten en moeren van hoge sterkte (hardheid) is de aanwezigheid van atomair opgenomen waterstof in het metaal noodzakelijk. Dit kan het gevolg zijn van fabricage of corrosie tijdens gebruik. Als gevolg van de na vastdraaien resulterende trekspanningen in de materialen kan op termijn interkristallijne scheurvorming optreden door recombinatie van de waterstof, onder andere aan de korrelgrenzen. Dit proces van scheurvorming op termijn is ook bekend onder de naam “static fatigue”. 





Corrosie is een bekende aanleiding tot waterstofvorming (kathodische reactie) en waterstofopname die bij hoge sterkte materiaal onder trekspanningen tot schade kan leiden. In dit geval zijn er echter geen aanwijzingen gevonden voor opgetreden corrosie. In dit geval bleek dat het aangetroffen waterstof in de moeren het gevolg is geweest van de fabricage van de moeren. Het is bekend dat het beitsen van materialen (in principe chemische verwijdering van metaal door gecontroleerde corrosie) tot waterstofopname leidt. Het waterstof kan na beitsen verwijderd worden middels een geschikte warmtebehandeling. Zonder een dergelijke warmtebehandeling kan het waterstof in het materiaal achterblijven, ook na thermisch verzinken. Met het toenemen van het formaat van windmolens zullen de aan de materialen gestelde eisen verder naar de limieten gaan. Zorg voor kwaliteit van materialen en het correct inschatten van de risico’s met betrekking tot de toegepaste materialen en processen zijn hierbij van cruciaal belang.

Schadegevallen in klassieke molens

Maar de klassieke windmolen dan? Deze markante en herkenbare bouwwerken in het Nederlandse landschap draaien natuurlijk al eeuwen mee. Hoewel er gesteld kan worden dat hier bewezen techniek aan het werk is, zijn ook bij het onderhoud aan deze molens inmiddels modernere materialen ingezet. Ook hier heeft materiaalonderzoek in de vorm van schadeonderzoek zijn waarde bewezen. Sinds 1985 zijn op basis een richtlijn opgesteld door de toenmalige Rijksdienst voor de Monumentenzorg molenroeden vervaardigd uit staal. Dit kreeg een opvolging in 2011 met een ontwerpaanpassing waarin de toepassing van verzinkte onderdelen werd opgenomen. Dit heeft er toe geleid dat in 2017 inmiddels 48 molens met verzinkte onderdelen waren uitgerust. In dat jaar zijn in meerdere molens gefaalde verzinkte bouten geconstateerd. Oorspronkelijk waren de roeden van deze molens gesmeed en geklonken tot één stuk van ca. 30m. Met twee van deze roeden gekruist werden de vier wieken gevormd. In verband met een maximale verzinklengte van ca. 15 m is bij restauratie gekozen om de roeden uit twee delen samen te stellen. Deze 15 m lange roededelen zijn samengesteld uit kokers van afnemende wanddikte, aan de dikste zijde voorzien van een flens. De beide 15 m lange roededelen worden ter plaatse van de spindelas met behulp van kwaliteit 10.9 bouten met elkaar verbonden tot een roede. Precies deze bouten waren gefaald. In een specifiek geval werd ook na vervanging of modificatie van de bouten, herhaaldelijk en na relatief korte tijd, falen van bouten geconstateerd. Door middel van schadeonderzoek is het falen onderzocht om tot begrip en oplossing van de problematiek te komen.





De gefaalde bouten hadden overwegend vlakke breukvlakken met een patroon van macroscheurgroeirustlijnen. Deze lijnen zijn kenmerkend voor een mechanisme van stapsgewijze scheurgroei. Initiatie heeft plaatsgevonden langs een groot deel van de omtrek van de bout, herkenbaar door de aanwezigheid van zogenaamde “ratchet marks”. Ratchet marks zijn kleine richeltjes die de grenzen markeren tussen verschillende vlakken van scheur-initiatie en -groei en zijn daarmee kenmerkend voor scheurinitiatie op verschillende posities. Meerdere bouten zijn onderzocht met de REM, waarbij lokaal striaties zijn aangetroffen. Striaties zijn microscheurgroeistappen die bij iedere belastingswisseling boven de vermoeiingssterkte gevormd worden. Striaties zijn daarmee kenmerkend voor een mechanisme van vermoeiing. Vermoeiing is een schademechanisme bestaande uit scheur-initiatie en -groei bij lokale materiaalspanningen boven de vermoeiingssterkte. De ultieme vermoeiingssterkte is uiteindelijk door het materiaal bepaald, maar de vermoeiingsterkte van constructies wordt hoofdzakelijk bepaald door ontwerp en uitvoering. De resultaten van het schadeonderzoek en de constatering van de vermoeiing heeft geleid tot een her-evaluatie van de richtlijn en hebben gezorgd dat er correctieve acties genomen konden worden bij molenroeden vervaardigd volgens de richtlijn uit 2011.





Niet alleen de bouten in de roedeconstructies kunnen problemen opleveren. Er zijn meerdere gevallen bekend van breuken in de roeden zelf. Kokers gelast van plaatmateriaal van verschillende dikte worden middels lassen gecombineerd tot een roededeel met flens. De roeden zijn aan twee zijden voorzien van vierkante gaten op vaste intervallen. In deze gaten worden over de dikte van de roede diagonaal geplaatste kleinere kokers geplaatst. In deze kokers worden de pennen van de houten panelen van de ondersteuning van de zeilen bevestigd. Het toegepaste staal voor de roeden is veelal een type dat overeenkomt met een constructiestaalkwaliteit volgens norm EN 10025-2.





In twee door Element uitgevoerde onderzoeken is vastgesteld dat er roeden door vermoeiing zijn gefaald. In beide gevallen op een net iets andere manier. In windmolen De Gelder is aan de roede vastgesteld dat een vermoeiingsbreuk was geïnitieerd vanuit het eerste vierkante gat vanaf het centrum van de roede.




Vanuit twee hoekpunten van het gat had de scheurinitiatie en scheurgroei plaatsgevonden, wederom herkenbaar aan een patroon van scheurgroeilijnen. Nader onderzoek aan de vierkante gaten in de roeden gaf aan dat deze door snijden in het plaatmateriaal waren aangebracht. Het snijden leverde een onregelmatig oppervlak op met scherpe hoeken. De scherpe hoeken vormden punten van spanningsconcentratie. Op deze concentratiepunten vond de scheurvorming plaats door een wisselende buigbelasting die de roeden ondervinden tijdens het draaien van de molen.






De vermoeiingsscheurgroei heeft uiteindelijk geleid tot breuk van de roede. De onderstaande foto toont de richting van de opgetreden scheuruitbreiding (rode pijl) vanaf een scherpe hoek van de vierkante gaten, vanaf de binnenzijde van de roede.




Het falen van de roede illustreert het belang van een goed ontwerp en afwerking om spanningsconcentraties te vermijden. Ook in windmolen De Dellen trad een breuk op in de roede als gevolg van vermoeiing:




Tijdens onderzoek bleek dat de breuk had plaatsgevonden op de lasverbinding (rondlopende stompe las) tussen het eerste en het tweede kokerdeel vanaf het centrum van de roede. Verder onderzoek van deze lasverbindingen toonde aan dat er sprake was van meerdere lasdefecten. In een nader onderzochte las bleek over grote lengte sprake te zijn van een onvolkomen doorlassing, waardoor er een scherp lineair defect achterbleef onder de doorlassing. Daarnaast waren er poriën, insluitsels en bindingsfouten (lineaire defecten) aanwezig in de lassen. Met name de lineaire defecten introduceren significante spanningsconcentraties in het materiaal waardoor de belastbaarheid afneemt en het risico op initiatie van vermoeiingsscheuren wordt vergroot bij wisselende belastingen. De vermoeiingsscheuren die hebben geleid tot falen van de roede in de molen zijn geïnitieerd op meerdere van deze lasdefecten waarbij de spanningsconcentratie als gevolg van de onvolkomen doorlassing over de gehele laslengte een bepalende rol heeft gespeeld. Een macrodoorsnede (linker foto) over een nog niet gebroken lasverbinding tussen twee kokersecties toonde de onvoldoende doorlassing en bindingsfouten. Een meer gedetailleerde microscopische foto (rechtsonder) toont een bindingsfout en slakinsluitingen aan een van de smeltlijnen.





De gegeven voorbeelden van falen van windmolens illustreren dat er ook bij het toepassen van in de huidige tijd gangbare materialen en constructieprocessen zorg nodig is om kwaliteit en integriteit van de windmolens te waarborgen.

www.element.com