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平价风电专题研究:风电轴承降本突围

商品类型:MB型调心滚子轴承

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发布时间:2022-08-15 06:58

产品摘要:  随着巴黎协定缔约国不断推进能源结构转型和绿色电力的发展,中国大陆、欧洲和美国等主力市场正酝酿新一...

来源:英亚体育app安卓版 作者:英亚体育官方网站APP

  随着巴黎协定缔约国不断推进能源结构转型和绿色电力的发展,中国大陆、欧洲和美国等主力市场正酝酿新一轮增长动能,同时东南亚、拉丁美洲等新兴市场也展现需求爆发性。全球风电市场正迈入持续成长的平价道路,我们预期全球风电新增装机容量将从2022年的104GW增长到2025年的163GW,三年CAGR为17%。其中陆风在2022年达到91GW,2025年达到130GW,CAGR13%;海风从2022年的12.6GW增长到2025年的35.1GW,CAGR44%。风机设备全球产值从2022年的4264亿元增长至5026亿元。

  我们预期在拉丁美洲等新兴经济的带动下,海外陆风市场维持在40G-46GW的稳定水平,海外海上风电在欧美市场的带动下实现高速增长,装机容量从2022年的6.1GW增长到2025年的15.1GW,CAGR达到35%;海外装机规模从2022年的52GW增长到2025年的60GW,海外市场的风机设备产值维持在3000亿元附近的高位。

  在双碳政策的稳步推进下,国内风电行业凭借良好的经济性,未来四年实现海陆并举的增长节奏。陆上风电将从2022年的45GW增长到2025年的85GW,CAGR24%;海上风电从2022年的6.5GW增长至2025年的18GW,CAGR高达40%;由于风机大型化降本效应突出,国内风机设备产值在1700-2000亿元之间波动。

  我们预计随着风机单机功率的不断上升,单位容量分摊的物料和制造费用显著下降,风机单位kW成本将下降到1600元以下;同时风机价格由于平价时代的市场竞争原因也将让出全部降本空间,装机规模的扩大提升了企业的经营杠杆,行业单位kW毛利也将有所下降,陆风毛利从原来的400元-800元下降到250-500元左右;海风单位kW毛利从补贴时代的1500-1800元下降至600-900元。

  中国已形成较为完备的风电设备配套产业链,零部件国产化率达到 95%以上。到2021年,中国陆上风电场主流投标机型已提高到6-7MW,陆上风电机组平均单机容量达到3.1MW;海上主流投标机型达到9-10MW以上(最大为11MW),海上风电机组平均单机容量达到5.6MW。

  在平价上网政策驱动下,风电机组的设计技术水平不断提升,包括精细化的概念设计、先进的计算手段,不断优化的控制策略,逐步完善的智能化水平,叶片、齿轮箱、发电机、变流器等关键部件设计技术和制造工艺的创新,提升发电量,降低载荷、减少成本,使得大型化、定制化、电网友好型的风电机组具有更优的技术经济性。

  滚动轴承通常由外圈、内圈、滚动体和保持架组成。轴承的外圈和内圈统称为轴承套圈,是具有一个或几个滚道的环形零件。滚动体分为球和滚子两种。内外圈及滚动体的材料主要为轴承钢,包括高碳铬钢、铬镍合金钢和锰铬合金钢等金属材料。保持架具有分隔滚动体,使之避免相互摩擦、均匀分布载荷、改善滚动条件等作用,其材料包括钢板、黄铜、聚酰胺、玻璃纤维增强尼龙等。

  套圈及滚动体的材料主要为轴承钢,包括高碳铬钢、铬镍合金钢和锰铬合金钢等金属材料。轴承钢又被称为“钢中之王”,对氧含量(低于5ppm)、夹杂物浓度与尺寸(低于10μm)、碳化物均匀度、硬度与韧性性能等要求极高。我国在轴承钢成分设计、产品系列化、标准化等方面与国外还存在较大差距。

  滚动体主要分为球和滚子,对应的将滚动轴承分为球轴承和滚子轴承,其技术难度主要体现在精度、硬度、压碎载荷、残余应力、残余奥氏体比例等方面,全球范围内四大龙头企业为美国恩恩(NN)、日本椿中岛、山东东阿钢球、力星股份等。球滚动体按材质主要分为碳钢球、轴承钢球、不锈钢球和陶瓷等其他材质球四大类,其中轴承钢由于优异的性能使得其中的轴承钢球成为风电轴承用钢球的主要原材料。滚子主要包括圆柱滚子和圆锥滚子,主要采用轴承钢作为原材料。

  瑞典SKF公司在全球25个国家有105 家生产工厂,销售网点遍布 130 个国家和地区;德国Schaeffler公司在全球50多个国家有180多个分支机构,拥有员工79,000多名;日本NSK公司在全球24个国家和地区建立了销售网络,拥有75家生产企业;美国TIMKEN公司在全球30个国家设有运营机构和生产工厂,拥有近2万名员工。这些公司拥有一流的科技人才、加工设备和制造技术,引领着世界轴承的发展方向。

  改革开放以来,我国轴承工业已形成一整套独立完整的工业体系,已经迈入轴承工业大国行列,位列世界第三。我国虽已是世界轴承生产大国,但还不是世界轴承生产强国,我国轴承行业的产业结构、研发能力、技术水平、产品质量、效率效益都与国际先进水平存在较大差距。

  近五年我国轴承出口总金额已超过进口总金额,但出口单价显著低于进口单价,形成了“低端出口,高端进口”的整体局面。2020年,我国轴承进出口总额为92亿美元,其中,出口创汇48.34亿美元,同比下降9.14%;进口用汇43.66亿美元,同比增长19.78%。

  回转支承是一种能够承受综合载荷的大型轴承,属于滚动轴承,可以同时承受较大的轴向、径向负荷和倾覆力矩,在现代工业中应用广泛,目前下业主要包括工程机械、新能源装备、盾构装备和海工装备等,风电的主轴轴承主要采用回转支承轴承。

  回转支承vs.普通轴承:1. 回转支承需要承受综合负荷(轴向、径向、倾覆力矩);2. 运转速度较低(通常50转/分钟以下);3. 尺寸较大;4. 材料及热处理工艺要求更高。

  风电主轴轴承设计难度高,风机装在百米高空,经受低温、湿热、风沙、盐雾等恶劣环境,寿命要求达到25-30年,对设备可靠性要求很高,叶轮主轴承受的载荷大,相较其他轴承长度较厂,容易变形,需要足够高的强度、硬度、抗冲击性能,而且要控制好缺陷,防止过早疲劳。

  风电轴承的结构并不复杂,但对于精度、寿命和可靠性、稳定性的要求极高,其中主轴轴承的产品历史表现在客户开拓中十分重要,风电轴承准入认证非常严格,验证周期长,后期一旦出现质量问题损失巨大。

  国内龙头企业近期纷纷布局大兆瓦配套风电轴承技术与产能,根据公司性质可以分为国有企业阵营和民营企业阵营,前者技术积淀较为深厚,已实现最大7MW风电主轴承的生产;后者介入大兆瓦风电轴承相对较晚但凭借通畅的上市融资渠道有望展现后发优势。

  风电用轴承中主轴轴承尺寸最大,海上风电配套主轴轴承直径可达4米以上,套圈和滚动体制造和加工难度显著提高,需要同时承受巨大的轴向/径向载荷和倾覆力矩,在25年的使用周期中基本无法更换维修,技术难度最高。

  全球风电主轴承板块中舍弗勒和斯凯孚共占50%以上市场份额,中国的洛轴和瓦轴各占4%的全球市场份额,且以3MW及以下产品为主。

  目前我国主轴轴承和偏航变桨轴承还有很大比例以来外资企业生产供应,假设国内市场全部由国产品牌供应,风机大型化后按照陆上风机主轴轴承价值量占比3%,偏变轴承占比3%、海上风机主轴轴承价值量占比4%,偏变轴承占比3%;2025年国内风电市场国产主轴轴承市场空间达到37亿元,偏航变桨轴承50亿元。

  目前我国以中国高速传动为代表的先进齿轮箱企业已经实现对海外陆上风机市场的高比例覆盖,按照齿轮箱轴承占齿轮箱成本比例三分之一,齿轮箱占风机成本20-25%估算,2025年国产齿轮箱轴承市场规模可达到165亿元。(报告来源:未来智库)

  按照是否需要持续补充润滑油滑动轴承可以划分为一般润滑轴承和自润滑轴承两大类。

  自润滑轴承是指用自润滑材料制作或在材料中预先加入润滑剂,在工作时可以不加或长时期不必加润滑剂的滑动轴承。自润滑轴承特别适合在重载、低速及恶劣工况(如极端温度、真空、高空、腐蚀性等无法加油或难加油情况)下使用,目前被广泛运用于汽车、工程机械、港口机械、塑料机械、农业机械等行业。

  复层类自润滑轴承一般由基层和衬层组成,其中衬层材料起自润滑作用,基层起支撑作用,其它材料起连接过渡作用;基层包括金属和非金属两大类,金属主要为碳素钢、铜合金、铝合金、铸铁等,非金属主要为塑料、橡胶、硬木等;衬层也包括金属和非金属两大类,金属主要为铜合金、铝合金、锌合金、巴氏合金等,非金属主要为PTFE、PEEK、POM、PA、PI、酚醛树脂等。

  各类衬层材料在单独使用时往往存在各种缺陷,以 PTFE 为例,其优点是摩擦系数小,但其热导性和耐磨性能差、承载能力低。为改善PTFE的特性并增强其稳定性,在PTFE中添加其他材料如纤维、石墨、MoS2、铜粉等复合而成的新材料能从根本上弥补PTFE材料的缺陷,组成一种较为理想的减摩材料。

  由于自润滑轴承无需供油装置,工作过程中可以不用加油,因此可以节省大量的安装和运行成本,提高机械性能,提升使用寿命及可靠性。无油化处理无需废油回收处理,还有利于环境保护。自润滑轴承对于磨轴的硬度要求较低,从而降低了相关零件的加工难度。自润滑复合轴承结构中,表面可电镀多种金属,可在腐蚀介质中使用。此外,由于无油润滑不存在油脂挥发问题,自润滑轴承可在高温高压环境下使用。

  自润滑轴承“METALINE”1870 年在美国出现,二十世纪四十年代初期,钢-烧结铜镍合金-巴氏合金多层金属减摩材料得到了发展,从而将材料强度和所要求的轴承性能开始结合起来。二十世纪五十年代的后期,英国Glacier公司开发了一种含有 PTFE 的钢-烧结青铜轴承材料,商品被命名为DU,这种轴承材料得到广泛的应用。五十年代中期,德国开发了一种由金属与石墨组成的干摩擦轴承材料。二十世纪六十年代后期,美国成功研制了烧结铝基轴承材料,随后研制出了耐腐蚀性良好的烧结铁基轴承材料。现有海外自润滑轴承企业主要包括MIBA、RENK、GGB、日本大同金属等。

  目前风电齿轮箱传动结构主要包括一级行星轮系加两级平行轴结构、两级行星轮系加一级平行轴结构,此外还包括RENK型复合行星齿轮、GE型复合行星齿轮、博世力士乐Redulus结构等企业定制化齿轮箱结构。

  齿轮箱结构虽然形式多样但基本都是由行星轮系和平行轴系构成,行星轮系与平行轴相比的优点在于结构紧凑、体积小、质量小、承载能力强、噪音小,但其缺点在于结构较为复杂、加工和装配技术要求较高,实际应用中需要综合考虑。

  风电齿轮箱中轴承主要使用在行星架、行星轮、空心轴、中间轴和输出轴部位,各部位由于转速、载荷的特点不同使得对于轴承性能的要求有所不同,其中行星架轴承尺寸和价值量最大但承受载荷相对较低,其他轴承尺寸较小但需要承受较大载荷。

  在风电齿轮箱中轴承是重要的零件,其发生故障的比例较大,其失效常常会引起齿轮箱灾难性的破坏,滚动轴承由于具有尺寸标准化、选型方便、质量稳定、互换性好的优点,目前在风电齿轮箱中大量使用。

  (本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

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