Le polyuréthane prouve qu'il est idéal pour les joints d'énergie éolienne

Par WPED Contributeur | 16 octobre 2020

Par Kurt Sassmannshausen, responsable du développement de produits, System Seals

Alors que le caoutchouc nitrile butadiène (NBR) est un élément de base des joints d'éoliennes depuis des décennies, les progrès dans les formules de polyuréthane, le traitement et la conception des joints écartent rapidement la place du NBR dans l'industrie. Les qualités qui s'avèrent les plus avantageuses sont la résistance à l'abrasion, la compatibilité avec les fluides, la résistance à l'ozone, la résistance mécanique et la capacité à conserver toutes ces propriétés à basse température.

Le polyuréthane est devenu un matériau idéal pour les joints des roulements principaux/générateurs, de pas et de lacet. Néanmoins, le simple échange de matériaux sur des conceptions existantes est souvent insuffisant. Les joints doivent être conçus avec du polyuréthane à l'esprit.

Une façon d'évaluer la résistance à l'abrasion du polyuréthane est le test d'abrasion à tambour standardisé, tel que ASTM D5963. Ceci est souvent réservé à l'évaluation des caoutchoucs, mais il est également efficace pour les polyuréthanes, en particulier lors de la comparaison des taux d'usure. Vous trouverez ci-dessous les valeurs d'indice de résistance à l'abrasion pour divers matériaux testés chez System Seals à Cleveland. Notez que tandis que NBR et HNBR indiquent des ARI d'environ 1,5, le polyuréthane indique un ARI de 4 à 8. Il s'agit d'une amélioration pouvant aller jusqu'à six fois.

Figure 1 : ARI des élastomères et du polyuréthane

Le polyuréthane conserve sa valeur ARI au fil du temps et après exposition à une large gamme de fluides, notamment des fluides à base d'huile. Une façon de le déterminer consiste à faire vieillir des échantillons d'abrasion ASTM D5963 dans des fluides pendant 90 jours à 100 °C (80 °C pour les fluides à base d'eau) et à répéter le test tous les 30 jours. Vous trouverez ci-dessous des résultats typiques, mais une confirmation pour chaque fluide est recommandée.

Figure 2 : Rétention ARI du NBR et du PU résistant à l'hydrolyse après vieillissement dans l'eau distillée à 80°C

Figure 3 : Rétention ARI du NBR et du PU résistant à l'hydrolyse après vieillissement dans de l'huile minérale distillée à 100°C

Alors que les fiches techniques indiquent la compatibilité des fluides prêts à l'emploi, des tests de vieillissement accéléré - ou des années d'exécution de l'application - doivent déterminer les performances et la stabilité à long terme d'un matériau exposé à un fluide particulier. System Seals effectue des tests de compatibilité des fluides sur 90 jours, par rapport aux tests standard de 168 heures, car System Seals a constamment constaté des changements significatifs dans les propriétés critiques des matériaux bien après 168 heures de contact avec les fluides.

Par rapport au NBR, les polyuréthanes formulés sur mesure présentent une meilleure résistance aux fluides avec les graisses les plus courantes dans l'industrie éolienne. Vous trouverez ci-dessous un tableau de compatibilité pour ces graisses populaires.

Figure 4 : Scores de vieillissement de la graisse ; plus bas c'est mieux

Le NBR est notoirement sensible à l'ozonolyse - lorsque les molécules d'ozone séparent les liaisons chimiques dans le NBR insaturé. La fissuration à l'ozone est courante lorsque le NBR subit des contraintes même minimes. Une solution consiste à infuser le NBR avec des cires, qui créent une barrière anti-ozone qui protège le NBR. Malheureusement, les cires ne modifient pas la liaison chimique du NBR. Si le NBR est exposé à des conditions environnementales qui éliminent la cire, il redevient susceptible de se dégrader. Certains polyuréthanes spéciaux utilisés dans les joints d'étanchéité pour l'énergie éolienne sont naturellement résistants à l'ozone.

Le polyuréthane a un module de traction, une résistance et un allongement deux à trois fois plus élevés que la plupart des NBR. De ce fait, les joints en polyuréthane sont capables de résister à une plus grande déformation mécanique et de supporter des charges mécaniques plus élevées.

Un NBR typique a un module de traction de 10-15 MPa et une résistance à la traction de 20 MPa. La plupart des polyuréthanes ont un module de 45-60 MPa et une résistance à la traction de 50-60 MPa. Cela se traduit par un matériau plus rigide qui est moins souple que le NBR, ce qui signifie une plus grande rétention de forme sous pression et une capacité de charge de contrainte plus élevée.

Les températures élevées ne sont généralement pas un problème dans les applications éoliennes. Cependant, selon l'emplacement et l'altitude, une température minimale de -40°C n'est pas rare. Une température de service minimale pour le NBR standard pourrait être de -20°C, tandis que de nombreux polyuréthanes éoliens ne sont pas affectés jusqu'à -40°C, comme déterminé par une analyse mécanique dynamique.

Figure 5 : Comparaison de la température de transition vitreuse (Tg) pour déterminer la température minimale de service

Figure 6 : Tracé radar des scores de propriété normalisés, un niveau supérieur est souhaitable

Le polyuréthane est un choix naturel pour les joints éoliens car il possède de meilleures propriétés mécaniques, une meilleure résistance à l'ozone, des taux d'usure réduits et des températures de service plus basses. Ci-dessous, deux familles d'applications pour lesquelles le polyuréthane est bien adapté. L'image de gauche montre la déformation simulée et les caractéristiques de contact d'un joint de roulement en polyuréthane. L'image de droite présente le joint Vortex de System Seals, un joint de palier principal qui pompe en continu la graisse dans le réservoir lors de la rotation des paliers.

Figure 7 : joint de pas FEA (à gauche) et mer de palier principal Vortex (à droite)