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    我國風電主軸軸承國產化率逐年提高,國內與外資品牌的差距在哪?
    2022/5/25

    從整個中國風電產業鏈來看,大部分環節已經在過去十多年的發展中實現了國產化,但配套大兆瓦機型的主軸軸承和變流器的核心部件等環節尚較高程度依賴進口。

    風電行業核心產業鏈包括上游原材料,中游風機零部件生產制造與風機整機總裝以及下游風電場投資運營。其中風力發電機組主要部件包括葉片、變頻器、齒輪箱、電氣控制系統、發電機、主軸、輪轂等。

    從整個中國風電產業鏈來看,大部分環節已經在過去十多年的發展中實現了國產化,但配套大兆瓦機型的主軸軸承和變流器的核心部件等環節尚較高程度依賴進口。

    其中,風電軸承是國產化程度最低的風電結構件。當前國產高端軸承的精度保持性、性能穩定性、尤其是壽命和可靠性與國際先進水平仍存在一定差距,但下游整機廠商風機核心零部件的國產化進程仍有所加快。

    在風機大型化背景下,風機軸承(特別是主軸軸承)在整機零部件材料中價值占比有望提升,國產軸承尤其是大功率主軸市場有望成為未來實現進口替代的主要陣地。


    一、風電軸承類型

    通常來說,一套風力發電機組的核心軸承含有:偏航軸承1套,變槳軸承3套,主軸軸承1套,此外根據不同的風機技術路線(如雙饋式風機)還可能需要搭配齒輪箱軸承等。

    變槳偏航軸承主要用于調整風機朝向及葉片槳距角,保證風機垂直迎風、輸出功率穩定在安全高效的范圍內。變槳偏航軸承僅在風力風向變化時進行間歇性的轉動調整,因此其強度、硬度的要求相對主軸而言也較低,目前這一類風機軸承已經實現了相對較高的國產化率。

    風機的主軸軸承主要用于支撐風機主軸,需要同時承擔三重載荷。主要用于連接輪轂和齒輪箱,將葉片產生的動能傳遞給齒輪箱,是風電整機的重要零部件,其機械性能、加工精度和使用壽命等會直接影響整機的運行與使用情況。

    風電主軸具有定制化程度高的特點,主要原材料為鋼錠,一般經過鍛壓、熱處理、粗加工、精加工和涂裝等五道工序制作而成。

    主軸軸承作為連接輪轂和主軸的核心部件,對于風機的長期穩定運行起關鍵作用,占風機成本通常在5%以上,屬于關鍵而又成本占比較高的零部件。


    二、主軸軸承國產化率逐年提高

    我國風電裝機規模多年呈持續上升趨勢,因此,對主軸軸承需求量迅速增加。由于風電主軸軸承對壽命及可靠性要求很高,長期以來,舍弗勒、SKF、NTN三家國外企業占據國內市場的絕大部分份額,而海上風電機組所用的主軸軸承幾乎為國外品牌壟斷。

    “近三年,受國產化替代影響,國外品牌市場份額(陸上風電)逐步降至65%左右。國內主軸軸承從設計到生產制造,和國外產品的差距在縮小。以洛軸為代表的國內主要軸承制造企業,主流機型所用的3~6.25MW主軸軸承已大批量裝機使用,10MW以下的海上風電機組主軸軸承也進入研發、樣機試用階段。預計2022年,主軸軸承(陸上)國產化率可提高到40%。隨著主機招標價格大幅走低,整機商對軸承等各零部件的成本關注度都在提升,主軸軸承國產化已是大勢所趨。國內主軸軸承在保證產品質量的前提下價格優勢更為明顯,未來三年,國產主軸軸承市場占比超過進口軸承已成必然?!甭尻朙YC軸承有限公司(下稱“洛軸”)總經理于海波表示。


    三、大兆瓦主軸軸承研制難度增加

    主軸軸承是風電機組中單價最貴、技術壁壘較高的軸承。風電機組朝著大型化方向迅猛發展,給技術含量較高的主軸軸承國產化帶來了不少的挑戰??此浦皇浅叽绲姆糯?,難度卻呈幾何級增加。大尺寸意味著更高的載荷,加上轉速高、運行時間長,這些都要求必須對設計、材料、冷熱處理工藝、檢測、試驗等進行全面升級,也對生產設備和檢測設備提出更為苛刻的要求。

    常見的主軸軸承有三種:調心滾子軸承(SRB)、圓錐滾子軸承(TRB)、三排圓柱滾子軸承(CRB)。調心滾子軸承多用于雙饋、5MW以下機型,其優點在于抗撓動性比較強。直驅和半直驅機型多采用圓錐滾子軸承和三排圓柱滾子軸承,適用于更大單機容量的機組。目前,圓錐滾子軸承是國內企業研發的重點。

    設計是研制主軸軸承的關鍵環節。除風力載荷外,主軸軸承還要承受主軸、葉輪的重力載荷,工況復雜。在設計時,要求軸承具備良好的抗沖擊性能、靈活的調心性能、優異的滾道抗疲勞性能。據上海電氣風電集團股份有限公司軸承策略采購王怡介紹,一些能力較強的整機商會聘請專家設計,將設計圖紙交給軸承廠生產。如果沒有這方面專業能力的話,則需要供應商具備相應的設計能力或委托第三方進行設計。

    材料的難點主要在于抗疲勞壽命,這與原材料中非金屬夾雜物的類型、大小、分布有關。其中,脆性夾雜物以及大顆粒夾雜物對壽命的影響最大。因此,如何進一步提高軸承鋼的潔凈度,減小鋼中夾雜物的含量與尺寸,提高碳化物的均勻性成為重點所在。此外,主軸軸承的硬度、強度、心部韌性與選材關系密切。為提高零件硬度、保證心表硬度一致,要求材料具有良好的淬透性、淬硬性及工藝適應性。目前,大兆瓦風電主軸軸承多采用滲碳鋼、高淬透性鋼和中碳合金鋼。

    業內專家表示,在軸承鋼材料方面,國外品牌近些年培養了國內供應商,其工藝水平、冶煉水平進步很大,材料的純度和化學成分能和國外企業媲美,但仍有差距?!巴馄笾鬏S軸承的原材料也購自國內供應商,供應商按照客戶的棒材放料鍛造,軸承用鋼都標著號牌,其金屬含量的配比乃是他們的核心機密之一?!币晃粯I內人士透露。

    就工藝而言,國內企業在研制、生產5MW以下風電主軸軸承上基本不存在難點。不過,更大兆瓦的主軸軸承工藝制造難度增加很多,如冷加工尺寸精度、熱處理變形、滾動體修形、滾道凸度、材料內部組織控制,更優的表面處理技術,包括如何解決邊界摩擦以及外界污染物介入后的潤滑問題等。此外,加工更大尺寸的軸承需要更大更精密的加工、檢測設備,而設備本身價格昂貴。

    國產主軸軸承技術的進步也得到了外企的肯定。舍弗勒在采訪回復中表示,隨著調心滾子軸承應用經驗的累積,針對客戶的項目,國產軸承已經可以與進口品牌同時提供方案。并且隨著軸承鋼材料的工藝水平、冶煉水平的提高,感應淬火熱處理的應用推廣,以及生產上投資力度加大,國產品牌開發速度很快,為后續的項目開發儲備了經驗和產能。


    四、全球軸承市場幾乎被八大跨國集團壟斷

    高端軸承領域技術壁壘較高,海 外廠商先發優勢明顯,2020年全球軸承市場 70%以上的市場份額由八大 海外廠商占據(瑞典SKF、德國Schaeffler、日本NSK、日本JTEKT、日 本NTN、美國TIMKEN、日本NMB、日本NACHI)。

    國內軸承市場近3000億元,行業集中度低,CR10僅為28.6%。2020年 中國軸承市場為2890億元,行業規模較大,但參與者眾多、同質化現象 嚴重,行業集中度低,CR6僅為20.3% ,各家廠商的規模較小,產品主 要分布于中低端領域。

    全球風電齒輪箱市場較為集中,CR3接近70%。風電齒輪箱分四種類型,分別應用于雙饋式 和半直驅式風機(直驅式不需要齒輪箱)。風電齒輪箱行業集中度較高,三大齒輪箱供應商 南高齒、采埃孚和永能捷已占全球齒輪箱市場份額的近70%。軸承生產商不會直接供貨給風 電主機廠,而是供貨給齒輪箱廠商,風電機主機廠則會向齒輪箱廠商采購整個齒輪箱。

    風電齒輪箱內軸承運行條件苛刻,軸承技術要求較高。風電齒輪箱中的滾動軸承運行條件較 為苛刻,在工作狀態中,軸承承受的載荷會突然變化,運行溫度變化范圍大,齒輪箱箱體也 會發生變形,因此對技術的要求較高。

    市場被國外廠商壟斷,國產替代逐步開啟。國內軸承廠商在高端技術方面相較海外廠商仍有 不小差距,國內齒輪箱軸承基本依賴進口,市場被舍弗勒、斯凱孚等公司占據。國內廠商方 面,瓦軸在2015年實現了齒輪箱軸承的小規模銷售;新強聯則于2022年年初募集資金,將業 務橫向擴展至齒輪箱軸承及精密零部件業務,憑借與明陽智能良好的合作關系,我們推斷項 目建設完畢后有望取得一定數量的齒輪箱軸承訂單,帶頭開啟了風電齒輪箱軸承的國產替代。


    五、與外資品牌的差距在哪里

    舍弗勒、鐵姆肯、SKF、NSK等外資軸承品牌的發展歷程要遠長于國內企業,有些甚至有上百年的歷史,擁有雄厚的技術底蘊和豐富的經驗。反觀國內企業,從2006年國家出臺“風電設備國產化率70%以上”政策后才開始攻克風電軸承,主軸軸承的研發僅有十多年時間。

    幾家國內大型軸承廠相關負責人表示,對于大兆瓦主軸軸承,從研發角度來講不存在“瓶頸”,欠缺的主要是經驗的積累。這一點,曾經在對某國外品牌軸承企業采訪時同樣聽到過類似的表述:“少量生產沒問題,但是批量化后質量不夠穩定,產品合格率有待提高?!?/span>

    舍弗勒在采訪回復中也中肯地指出,國產主軸軸承缺乏研發和應用校核能力,多數需要委托外部團隊處理,不利于風險管控。實際應用經驗和理論基礎仍有上升空間,這一點依然是進口品牌主軸軸承的優勢。

    據瓦房店軸承集團有限責任公司(下稱“瓦軸”)風電主軸軸承研究所所長蒼施良介紹,國內外的差距包括:一是計算方面,國外軸承供應商起步早,校核機型多,理論分析經驗與實際裝配經驗相對豐富;二是軸承承載能力,國外主軸軸承的承載能力普遍高于國內主軸軸承,這取決于各家的設計理念;三是在生產設備上,國外廠家比國內更先進,生產線的自動化程度更高,高精度數控車床、雙端面磨床、機械手、機器人等設備俱全,國內軸承生產廠家的高精尖設備覆蓋率低一些。

    在設備方面,缺少大兆瓦軸承的試驗臺架也是一項短板?!霸囼炁_架主要是模擬工況,通過加速疲勞,監測溫升、油脂清潔度、加載受力等情況,最后拆解檢驗軸承磨損狀況,驗證其是否與設計目標相同。目前國內做不了大兆瓦軸承的臺架試驗,樣品通常需要運到西門子歌美颯、GE、維斯塔斯等國外的實驗機上驗證,且價格不菲,單次試驗就要兩三百萬元,這還不包括運費?!背啥继祚R鐵路軸承有限公司(下稱“成都天馬”)營銷總監范佳橋表示。

    據了解,成都天馬于2021年8月下線的8MW海上風電主軸軸承樣品,已發送至西門子歌美颯在丹麥的試驗臺架進行測試,預計將于今年7月完成測試。

    目前,國內領先的軸承制造商加大了軟硬件的投入。洛軸成立的航空精密軸承國家重點實驗室,是我國軸承行業內唯一的國家級企業重點實驗室,購置了一批世界領先的分析軟件和檢測試驗設備,在投主軸軸承試驗設備外徑可達4米。同時,洛軸高標主軸承生產線將于今年6月底前具備投產條件,洛軸新能源裝備軸承智能化生產基地項目已啟動,規劃對標進口軸承。

    洛陽新強聯回轉支承股份有限公司(下稱“新強聯”)引進來自意大利薩伊SAET的全數控無軟帶淬火機床,經過長時間的探索,實現了淬火無軟帶的技術要求。

    據瓦軸風電銷售公司總經理徐猛介紹,目前,該公司正在投入一個風電軸承新工廠,專門用于生產風電主軸軸承、齒輪箱軸承和電機軸承,預計于2023年投產。

    在檢測設備方面,國內風電軸承領軍企業自2019年開始逐步投入了進口的相控陣超聲波探傷儀、圓度儀、輪廓儀、三坐標等檢測儀設備,與國外企業基本沒有區別。

    然而,在產線設計、5S管理、環境改造方面,國內企業仍需要向外企學習?!巴馄蟮膹S房非常整潔。環境做得好不好也從一個側面反映出管理水平。目前,一些國內企業在成為國外品牌供應商的審核中,在這方面也作出了相應的改進,值得國內同行學習?!蓖踱硎?。


    六、完成國產替代的最大機會

    通過對風電軸承行業的分析研究,我們對受益于國產替代的企業進行了梳理,未來較大投資機會會出現在以下三個 領域:

    大功率主軸軸承:主軸軸承的技術壁壘較高,風機功率越大,主軸軸承的生產難度越大,主軸軸承的單價也隨之提 高。目前小功率的主軸軸承實現了國產化,而大功率主軸軸承以及海上風電主軸軸承的市場份額幾乎被國外廠商壟 斷,出現了很好的國產替代機會。目前新強聯等頭部廠商的技術進步較快、產能擴張較為激進,產品也進入主機廠 的驗證環節,隨著市場認可度的提升,頭部廠商有望在未來2-3年內搶占可觀的市場份額,隨后其他廠商會在技術上 跟進,共同開拓較大的市場空間。

    獨立變槳軸承:獨立變槳技術是未來風機大型化背景下的發展趨勢,會使變槳軸承的價值量較大提升,未來5MW以 上的機型有望逐步采用獨立變槳技術。獨立變槳軸承使用三排圓柱滾子軸承,與傳統的雙排球軸承技術路徑不同。目前只有新強聯、成都天馬等少數廠商在生產獨立變槳軸承,未來1-2年內變槳軸承的毛利率有望迎來提升,訂單也 會有較大的放量。

    齒輪箱軸承:目前風電齒輪箱軸承基本依賴進口,存在很大的國產替代空間。風電主機廠對主軸軸承、偏航變槳軸 承的采購量很大,所以部分主機廠可能會在采購主軸軸承、偏航變槳軸承時采購一定量的齒輪箱軸承,發給齒輪箱 生產廠商來組裝,以降低采購的成本,這就為風電齒輪箱的國產化提供了較好的機會,而目前新強聯在建立齒輪箱 軸承生產線,預計建成后會拿到一定數量的訂單。


    七、抓住機遇,加快國產化進程

    在裝機規模提升、風電機組產量高速增長的背景下,風電軸承行業進入了高速發展期,大兆瓦產品的國產化亟待突破。

    國內主要軸承企業推進風電高端軸承國產化進程

    據中國可再生能源學會風能專業委員會(CWEA)預測,2021~2025年國內風電軸承市場復合年均增長率(CAGR)將達到13%,預計年產值達到106億元。其中,海上風電軸承市場空間將超過21億元(約占20%)。風電軸承成本約占風電機組總成本的5%,而主軸軸承大概占1.5%,以此推算,風電主軸軸承的年產值在30億元左右。

    國產品牌的價格普遍低于進口品牌,更具價格優勢。調心滾子軸承由于應用時間較長,原材料和工藝加工較為成熟,價格因規格尺寸不同大概在9萬~15萬元,較進口產品低約40%~50%。圓錐滾子軸承價格在20多萬元,比進口產品低20%~30%。三排圓柱滾子軸承故障率低于國外產品,可完全實現進口替代,價格比國外產品低20%~30%。

    在目前的市場中,調心滾子軸承和圓錐軸承幾乎各占一半。伴隨著更大兆瓦機組的出現,雙饋機組也傾向于選擇圓錐滾子軸承形式。

    范佳橋分析,預計三五年后,圓錐滾子軸承將占80%,調心滾子軸承會縮減至10%~15%。因為隨著機型向著大兆瓦發展,載荷會變大,調心滾子軸承的使用將存在局限性。

    郝文路則表示,若能克服局限性,三排圓柱滾子軸承將在2~5 MW,乃至7 MW直驅機組上也具有很好的發展潛力。

    面對全面走向平價,在雙碳目標的政策引導下,業內對于降本增效的意愿進一步增強,在仍具有降本空間的主軸軸承上實現國產化,被業界寄予厚望。

    “主軸軸承已經到了一個關鍵節點,國外供貨也存在著各種因素制約,且價格高?!鄙n施良認為,“隨著近幾年國產主軸軸承技術精度的提升,結合運行時期軸承的表現,未來3年,國產主軸軸承有可能超過進口品牌。價格是一方面,交付能力能保障是另一方面,物流運輸距離比較短,加上專業服務團隊技術持續提升,經驗不斷積累,服務也會占有一定的優勢?!?/span>

    他建議,由政府牽頭,以風電整機商為中心,聯合部件商和開發企業,共同建立試驗風電場,為軸承的設計、制造、使用尋找共同的解決方案,形成一種長效的、可持續的綠色發展新模式。

    目前,國家也出臺了對首臺套的獎勵政策,軸承企業可以與開發企業共同參與相關的科研項目,但有業內人士建議,應當增加適當的免責措施,進一步調動開發企業應用國產主軸軸承的積極性。



    來源:賢集網

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