Bien que le caoutchouc nitrile-butadiène (NBR) soit le matériau d'étanchéité dominant pour les éoliennes depuis des décennies, les progrès réalisés dans la formulation, la transformation et la conception des joints en polyuréthane érodent rapidement sa position dans l'industrie. Il s'avère que ses propriétés les plus utiles sont la résistance à l'usure, la compatibilité avec les fluides, la résistance à l'ozone, la résistance mécanique et la capacité à maintenir toutes ces propriétés à basse température.
Le polyuréthane est devenu un matériau idéal pour l'étanchéité des paliers principaux/générateurs, ainsi que des roulements longitudinaux et transversaux. Cependant, le simple remplacement des matériaux d'une structure existante ne suffit souvent pas. Les joints doivent être conçus en tenant compte du polyuréthane.
Une façon d'évaluer la résistance à l'usure des polyuréthanes consiste à effectuer un essai d'usure sur tambour normalisé, tel que la norme ASTM D5963. Cette méthode est généralement utilisée pour évaluer le caoutchouc, mais elle s'applique également au polyuréthane, notamment pour comparer les taux d'usure. Vous trouverez ci-dessous les valeurs de l'indice d'usure de différents matériaux testés par System Seals à Cleveland. Notez que le NBR et le HNBR ont un ARI d'environ 1,5, tandis que les polyuréthanes ont un ARI de 4 à 8. Cela représente une amélioration jusqu'à six fois supérieure.
Le polyuréthane conserve ses valeurs ARI au fil du temps et après exposition à divers fluides, notamment les fluides à base d'huile. Une façon de le déterminer consiste à faire vieillir des échantillons d'usure ASTM D5963 dans des fluides à 100 °C pendant 90 jours (80 °C pour les fluides à base d'eau) et à répéter le test tous les 30 jours. Les résultats ci-dessous sont typiques, mais une confirmation est recommandée pour chaque liquide.
Figure 3. Rétention de l'ARI dans le NBR et le polyuréthane résistant à l'hydrolyse après vieillissement dans l'huile minérale distillée à 100°C.
Bien que les spécifications indiquent la compatibilité avec les fluides finis, des tests de vieillissement accéléré (ou des années de service) devraient déterminer la performance et la stabilité à long terme des matériaux exposés à des fluides spécifiques. System Seals teste la compatibilité des fluides pendant 90 jours plutôt que le test standard de 168 heures, car System Seals détecte systématiquement des changements significatifs dans les propriétés clés des matériaux après 168 heures d'exposition aux fluides.
Le polyuréthane sur mesure présente une meilleure résistance aux fluides que le NBR dans les lubrifiants les plus courants de l'industrie éolienne. Vous trouverez ci-dessous un tableau de compatibilité pour ces lubrifiants courants.
Le NBR est connu pour sa sensibilité à l'ozonolyse, qui se produit lorsque les molécules d'ozone rompent les liaisons chimiques du NBR insaturé. La fissuration par l'ozone est fréquente lorsque le caoutchouc nitrile-butadiène (NBR) est soumis à la moindre déformation. Une solution consiste à injecter de la cire dans le NBR, créant ainsi une barrière anti-ozone qui le protège. Malheureusement, la cire ne modifie pas la liaison chimique du NBR. Si le NBR est exposé à des conditions environnementales qui éliminent la cire, il redevient sujet à la dégradation. Certains polyuréthanes spéciaux utilisés dans les joints d'étanchéité pour l'énergie éolienne sont naturellement résistants à l'ozone.
Le module d'élasticité, la résistance et l'allongement du polyuréthane sont deux à trois fois supérieurs à ceux de la plupart des NBR. Par conséquent, les joints en polyuréthane sont capables de supporter des déformations et des charges mécaniques plus importantes.
Un NBR typique présente un module d'élasticité de 10 à 15 MPa et une résistance à la traction de 20 MPa. La plupart des polyuréthanes présentent un module d'élasticité de 45 à 60 MPa et une résistance à la traction de 50 à 60 MPa. Cela signifie que le matériau est moins dur que le NBR, ce qui se traduit par une meilleure conservation de la forme et une plus grande résistance aux charges de pression.
Dans les éoliennes, les températures élevées ne posent généralement pas de problème. Cependant, selon l'emplacement et l'altitude, des températures minimales de -40 °C ne sont pas rares. Le NBR standard a une température minimale de fonctionnement de -20 °C, et des analyses mécaniques dynamiques ont montré que de nombreux polyuréthanes éoliens ne sont pas affectés par des températures inférieures à -40 °C.
Le polyuréthane est un choix naturel pour les joints d'étanchéité des éoliennes en raison de ses propriétés mécaniques supérieures, de sa meilleure résistance à l'ozone, de son faible taux d'usure et de ses températures de fonctionnement plus basses. Voici deux familles d'applications pour lesquelles le polyuréthane est particulièrement adapté. L'image de gauche montre la déformation simulée et les caractéristiques de contact d'un joint de palier en polyuréthane. L'image de droite montre le joint turbulent System Seals, un joint de palier principal qui refoule en continu le lubrifiant dans le réservoir pendant la rotation du palier.
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Date de publication : 24 décembre 2023