风电行业核心产业链包括上游原材料,中游风机零部件生产制造与风机整机总装以及下游风电场投资运营。其中风力发电机组主要部件包括叶片、变频器、齿轮箱、电气控制系统、发电机、主轴、轮毂等。


从整个中国风电产业链来看,大部分环节已经在过去十多年的发展中实现了国产化,但配套大兆瓦机型的主轴轴承和变流器的核心部件等环节尚较高程度依赖进口。


其中,风电轴承是国产化程度最低的风电结构件。当前国产高端轴承的精度保持性、性能稳定性、尤其是寿命和可靠性与国际先进水平仍存在一定差距,但下游整机厂商风机核心零部件的国产化进程仍有所加快。


在风机大型化背景下,风机轴承(特别是主轴轴承)在整机零部件材料中价值占比有望提升,国产轴承尤其是大功率主轴市场有望成为未来实现进口替代的主要阵地。


01


风电轴承类型


通常来说,一套风力发电机组的核心轴承含有:偏航轴承1套,变桨轴承3套,主轴轴承1套,此外根据不同的风机技术路线(如双馈式风机)还可能需要搭配齿轮箱轴承等。


变桨偏航轴承主要用于调整风机朝向及叶片桨距角,保证风机垂直迎风、输出功率稳定在安全高效的范围内。变桨偏航轴承仅在风力风向变化时进行间歇性的转动调整,因此其强度、硬度的要求相对主轴而言也较低,目前这一类风机轴承已经实现了相对较高的国产化率。


风机的主轴轴承主要用于支撑风机主轴,需要同时承担三重载荷。主要用于连接轮毂和齿轮箱,将叶片产生的动能传递给齿轮箱,是风电整机的重要零部件,其机械性能、加工精度和使用寿命等会直接影响整机的运行与使用情况。


风电主轴具有定制化程度高的特点,主要原材料为钢锭,一般经过锻压、热处理、粗加工、精加工和涂装等五道工序制作而成。


主轴轴承作为连接轮毂和主轴的核心部件,对于风机的长期稳定运行起关键作用,占风机成本通常在5%以上,属于关键而又成本占比较高的零部件。


02


主轴轴承国产化率逐年提高


我国风电装机规模多年呈持续上升趋势,因此,对主轴轴承需求量迅速增加。由于风电主轴轴承对寿命及可靠性要求很高,长期以来,舍弗勒、SKF、NTN三家国外企业占据国内市场的绝大部分份额,而海上风电机组所用的主轴轴承几乎为国外品牌垄断。


“近三年,受国产化替代影响,国外品牌市场份额(陆上风电)逐步降至65%左右。国内主轴轴承从设计到生产制造,和国外产品的差距在缩小。以洛轴为代表的国内主要轴承制造企业,主流机型所用的3~6.25MW主轴轴承已大批量装机使用,10MW以下的海上风电机组主轴轴承也进入研发、样机试用阶段。预计2022年,主轴轴承(陆上)国产化率可提高到40%。随着主机招标价格大幅走低,整机商对轴承等各零部件的成本关注度都在提升,主轴轴承国产化已是大势所趋。国内主轴轴承在保证产品质量的前提下价格优势更为明显,未来三年,国产主轴轴承市场占比超过进口轴承已成必然。”洛阳LYC轴承有限公司(下称“洛轴”)总经理于海波表示。



03


大兆瓦主轴轴承研制难度增加


主轴轴承是风电机组中单价最贵、技术壁垒较高的轴承。风电机组朝着大型化方向迅猛发展,给技术含量较高的主轴轴承国产化带来了不少的挑战。看似只是尺寸的放大,难度却呈几何级增加。大尺寸意味着更高的载荷,加上转速高、运行时间长,这些都要求必须对设计、材料、冷热处理工艺、检测、试验等进行全面升级,也对生产设备和检测设备提出更为苛刻的要求。


常见的主轴轴承有三种:调心滚子轴承(SRB)、圆锥滚子轴承(TRB)、三排圆柱滚子轴承(CRB)。调心滚子轴承多用于双馈、5MW以下机型,其优点在于抗挠动性比较强。直驱和半直驱机型多采用圆锥滚子轴承和三排圆柱滚子轴承,适用于更大单机容量的机组。目前,圆锥滚子轴承是国内企业研发的重点。


设计是研制主轴轴承的关键环节。除风力载荷外,主轴轴承还要承受主轴、叶轮的重力载荷,工况复杂。在设计时,要求轴承具备良好的抗冲击性能、灵活的调心性能、优异的滚道抗疲劳性能。据上海电气风电集团股份有限公司轴承策略采购王怡介绍,一些能力较强的整机商会聘请专家设计,将设计图纸交给轴承厂生产。如果没有这方面专业能力的话,则需要供应商具备相应的设计能力或委托第三方进行设计。


材料的难点主要在于抗疲劳寿命,这与原材料中非金属夹杂物的类型、大小、分布有关。其中,脆性夹杂物以及大颗粒夹杂物对寿命的影响最大。因此,如何进一步提高轴承钢的洁净度,减小钢中夹杂物的含量与尺寸,提高碳化物的均匀性成为重点所在。此外,主轴轴承的硬度、强度、心部韧性与选材关系密切。为提高零件硬度、保证心表硬度一致,要求材料具有良好的淬透性、淬硬性及工艺适应性。目前,大兆瓦风电主轴轴承多采用渗碳钢、高淬透性钢和中碳合金钢。


业内专家表示,在轴承钢材料方面,国外品牌近些年培养了国内供应商,其工艺水平、冶炼水平进步很大,材料的纯度和化学成分能和国外企业媲美,但仍有差距。“外企主轴轴承的原材料也购自国内供应商,供应商按照客户的棒材放料锻造,轴承用钢都标着号牌,其金属含量的配比乃是他们的核心机密之一。”一位业内人士透露。



就工艺而言,国内企业在研制、生产5MW以下风电主轴轴承上基本不存在难点。不过,更大兆瓦的主轴轴承工艺制造难度增加很多,如冷加工尺寸精度、热处理变形、滚动体修形、滚道凸度、材料内部组织控制,更优的表面处理技术,包括如何解决边界摩擦以及外界污染物介入后的润滑问题等。此外,加工更大尺寸的轴承需要更大更精密的加工、检测设备,而设备本身价格昂贵。


国产主轴轴承技术的进步也得到了外企的肯定。舍弗勒在采访回复中表示,随着调心滚子轴承应用经验的累积,针对客户的项目,国产轴承已经可以与进口品牌同时提供方案。并且随着轴承钢材料的工艺水平、冶炼水平的提高,感应淬火热处理的应用推广,以及生产上投资力度加大,国产品牌开发速度很快,为后续的项目开发储备了经验和产能。


04


全球轴承市场几乎被八大跨国集团垄断


高端轴承领域技术壁垒较高,海 外厂商先发优势明显,2020年全球轴承市场 70%以上的市场份额由八大 海外厂商占据(瑞典SKF、德国Schaeffler、日本NSK、日本JTEKT、日 本NTN、美国TIMKEN、日本NMB、日本NACHI)。


国内轴承市场近3000亿元,行业集中度低,CR10仅为28.6%。2020年 中国轴承市场为2890亿元,行业规模较大,但参与者众多、同质化现象 严重,行业集中度低,CR6仅为20.3% ,各家厂商的规模较小,产品主 要分布于中低端领域。


全球风电齿轮箱市场较为集中,CR3接近70%。风电齿轮箱分四种类型,分别应用于双馈式 和半直驱式风机(直驱式不需要齿轮箱)。风电齿轮箱行业集中度较高,三大齿轮箱供应商 南高齿、采埃孚和永能捷已占全球齿轮箱市场份额的近70%。轴承生产商不会直接供货给风 电主机厂,而是供货给齿轮箱厂商,风电机主机厂则会向齿轮箱厂商采购整个齿轮箱。


风电齿轮箱内轴承运行条件苛刻,轴承技术要求较高。风电齿轮箱中的滚动轴承运行条件较 为苛刻,在工作状态中,轴承承受的载荷会突然变化,运行温度变化范围大,齿轮箱箱体也 会发生变形,因此对技术的要求较高。


市场被国外厂商垄断,国产替代逐步开启。国内轴承厂商在高端技术方面相较海外厂商仍有 不小差距,国内齿轮箱轴承基本依赖进口,市场被舍弗勒、斯凯孚等公司占据。国内厂商方 面,瓦轴在2015年实现了齿轮箱轴承的小规模销售;新强联则于2022年年初募集资金,将业 务横向扩展至齿轮箱轴承及精密零部件业务,凭借与明阳智能良好的合作关系,我们推断项 目建设完毕后有望取得一定数量的齿轮箱轴承订单,带头开启了风电齿轮箱轴承的国产替代。


05


与外资品牌的差距在哪里


舍弗勒、铁姆肯、SKF、NSK等外资轴承品牌的发展历程要远长于国内企业,有些甚至有上百年的历史,拥有雄厚的技术底蕴和丰富的经验。反观国内企业,从2006年国家出台“风电设备国产化率70%以上”政策后才开始攻克风电轴承,主轴轴承的研发仅有十多年时间。


几家国内大型轴承厂相关负责人表示,对于大兆瓦主轴轴承,从研发角度来讲不存在“瓶颈”,欠缺的主要是经验的积累。这一点,曾经在对某国外品牌轴承企业采访时同样听到过类似的表述:“少量生产没问题,但是批量化后质量不够稳定,产品合格率有待提高。”


舍弗勒在采访回复中也中肯地指出,国产主轴轴承缺乏研发和应用校核能力,多数需要委托外部团队处理,不利于风险管控。实际应用经验和理论基础仍有上升空间,这一点依然是进口品牌主轴轴承的优势。


据瓦房店轴承集团有限责任公司(下称“瓦轴”)风电主轴轴承研究所所长苍施良介绍,国内外的差距包括:一是计算方面,国外轴承供应商起步早,校核机型多,理论分析经验与实际装配经验相对丰富;二是轴承承载能力,国外主轴轴承的承载能力普遍高于国内主轴轴承,这取决于各家的设计理念;三是在生产设备上,国外厂家比国内更先进,生产线的自动化程度更高,高精度数控车床、双端面磨床、机械手、机器人等设备俱全,国内轴承生产厂家的高精尖设备覆盖率低一些。


在设备方面,缺少大兆瓦轴承的试验台架也是一项短板。“试验台架主要是模拟工况,通过加速疲劳,监测温升、油脂清洁度、加载受力等情况,最后拆解检验轴承磨损状况,验证其是否与设计目标相同。目前国内做不了大兆瓦轴承的台架试验,样品通常需要运到西门子歌美飒、GE、维斯塔斯等国外的实验机上验证,且价格不菲,单次试验就要两三百万元,这还不包括运费。”成都天马铁路轴承有限公司(下称“成都天马”)营销总监范佳桥表示。


据了解,成都天马于2021年8月下线的8MW海上风电主轴轴承样品,已发送至西门子歌美飒在丹麦的试验台架进行测试,预计将于今年7月完成测试。


目前,国内领先的轴承制造商加大了软硬件的投入。洛轴成立的航空精密轴承国家重点实验室,是我国轴承行业内唯一的国家级企业重点实验室,购置了一批世界领先的分析软件和检测试验设备,在投主轴轴承试验设备外径可达4米。同时,洛轴高标主轴承生产线将于今年6月底前具备投产条件,洛轴新能源装备轴承智能化生产基地项目已启动,规划对标进口轴承。


洛阳新强联回转支承股份有限公司(下称“新强联”)引进来自意大利萨伊SAET的全数控无软带淬火机床,经过长时间的探索,实现了淬火无软带的技术要求。


据瓦轴风电销售公司总经理徐猛介绍,目前,该公司正在投入一个风电轴承新工厂,专门用于生产风电主轴轴承、齿轮箱轴承和电机轴承,预计于2023年投产。


在检测设备方面,国内风电轴承领军企业自2019年开始逐步投入了进口的相控阵超声波探伤仪、圆度仪、轮廓仪、三坐标等检测仪设备,与国外企业基本没有区别。


然而,在产线设计、5S管理、环境改造方面,国内企业仍需要向外企学习。“外企的厂房非常整洁。环境做得好不好也从一个侧面反映出管理水平。目前,一些国内企业在成为国外品牌供应商的审核中,在这方面也作出了相应的改进,值得国内同行学习。”王怡表示。



06


完成国产替代的最大机会


通过对风电轴承行业的分析研究,我们对受益于国产替代的企业进行了梳理,未来较大投资机会会出现在以下三个 领域:


大功率主轴轴承:主轴轴承的技术壁垒较高,风机功率越大,主轴轴承的生产难度越大,主轴轴承的单价也随之提 高。目前小功率的主轴轴承实现了国产化,而大功率主轴轴承以及海上风电主轴轴承的市场份额几乎被国外厂商垄 断,出现了很好的国产替代机会。目前新强联等头部厂商的技术进步较快、产能扩张较为激进,产品也进入主机厂 的验证环节,随着市场认可度的提升,头部厂商有望在未来2-3年内抢占可观的市场份额,随后其他厂商会在技术上 跟进,共同开拓较大的市场空间。


独立变桨轴承:独立变桨技术是未来风机大型化背景下的发展趋势,会使变桨轴承的价值量较大提升,未来5MW以 上的机型有望逐步采用独立变桨技术。独立变桨轴承使用三排圆柱滚子轴承,与传统的双排球轴承技术路径不同。目前只有新强联、成都天马等少数厂商在生产独立变桨轴承,未来1-2年内变桨轴承的毛利率有望迎来提升,订单也 会有较大的放量。


齿轮箱轴承:目前风电齿轮箱轴承基本依赖进口,存在很大的国产替代空间。风电主机厂对主轴轴承、偏航变桨轴 承的采购量很大,所以部分主机厂可能会在采购主轴轴承、偏航变桨轴承时采购一定量的齿轮箱轴承,发给齿轮箱 生产厂商来组装,以降低采购的成本,这就为风电齿轮箱的国产化提供了较好的机会,而目前新强联在建立齿轮箱 轴承生产线,预计建成后会拿到一定数量的订单。


07


抓住机遇,加快国产化进程


在装机规模提升、风电机组产量高速增长的背景下,风电轴承行业进入了高速发展期,大兆瓦产品的国产化亟待突破。


国内主要轴承企业推进风电高端轴承国产化进程


据中国可再生能源学会风能专业委员会(CWEA)预测,2021~2025年国内风电轴承市场复合年均增长率(CAGR)将达到13%,预计年产值达到106亿元。其中,海上风电轴承市场空间将超过21亿元(约占20%)。风电轴承成本约占风电机组总成本的5%,而主轴轴承大概占1.5%,以此推算,风电主轴轴承的年产值在30亿元左右。


国产品牌的价格普遍低于进口品牌,更具价格优势。调心滚子轴承由于应用时间较长,原材料和工艺加工较为成熟,价格因规格尺寸不同大概在9万~15万元,较进口产品低约40%~50%。圆锥滚子轴承价格在20多万元,比进口产品低20%~30%。三排圆柱滚子轴承故障率低于国外产品,可完全实现进口替代,价格比国外产品低20%~30%。


在目前的市场中,调心滚子轴承和圆锥轴承几乎各占一半。伴随着更大兆瓦机组的出现,双馈机组也倾向于选择圆锥滚子轴承形式。


范佳桥分析,预计三五年后,圆锥滚子轴承将占80%,调心滚子轴承会缩减至10%~15%。因为随着机型向着大兆瓦发展,载荷会变大,调心滚子轴承的使用将存在局限性。


郝文路则表示,若能克服局限性,三排圆柱滚子轴承将在2~5 MW,乃至7 MW直驱机组上也具有很好的发展潜力。


面对全面走向平价,在双碳目标的政策引导下,业内对于降本增效的意愿进一步增强,在仍具有降本空间的主轴轴承上实现国产化,被业界寄予厚望。


“主轴轴承已经到了一个关键节点,国外供货也存在着各种因素制约,且价格高。”苍施良认为,“随着近几年国产主轴轴承技术精度的提升,结合运行时期轴承的表现,未来3年,国产主轴轴承有可能超过进口品牌。价格是一方面,交付能力能保障是另一方面,物流运输距离比较短,加上专业服务团队技术持续提升,经验不断积累,服务也会占有一定的优势。”


他建议,由 *** 牵头,以风电整机商为中心,联合部件商和开发企业,共同建立试验风电场,为轴承的设计、制造、使用寻找共同的解决方案,形成一种长效的、可持续的绿色发展新模式。


目前,国家也出台了对首台套的奖励政策,轴承企业可以与开发企业共同参与相关的科研项目,但有业内人士建议,应当增加适当的免责措施,进一步调动开发企业应用国产主轴轴承的积极性。


来源:《风能》杂志,制and造

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