Comment surveiller et entretenir les fluides à base d’esters de phosphate.

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Les fluides à base d’ester de phosphate ont été utilisés pour contrôler des milliers de turbines à vapeur au cours des 60 dernières années. Avec une telle expérience utilisateur, on pourrait supposer que leurs défis opérationnels seraient bien compris et que les centrales électriques seraient en mesure de maintenir facilement la qualité de ces fluides. Au contraire, les fluides à base d’ester phosphate sont souvent le talon d’Achille de la plupart des programmes de lubrification.

Modes de dégradation

Les principaux modes de dégradation des fluides à base d’ester de phosphate sont l’hydrolyse et le microdésilage. Ces fluides peuvent également se dégrader en raison de l’oxydation, de la dégradation thermique et de la formation de savons métalliques. La cause et l’effet de la dégradation des fluides des esters de phosphate dans les systèmes de commande électrohydraulique (EHC) des turbines à vapeur sont illustrés à la figure 1.

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Hydrolyse

L’hydrolyse est la source de dégradation la plus courante dans les esters de phosphate. Des températures de fonctionnement élevées, des fuites de vapeur intermittentes et la nature hygroscopique des fluides offrent un environnement idéal qui favorise les réactions d’hydrolyse. La limite de saturation des esters de phosphate à la température de fonctionnement est d’environ 3 000 à 5 000 parties par million (ppm) d’eau. Pendant l’hydrolyse, le fluide produit un acide plus fort et plus faible. L’acide le plus fort subit une série de réactions, formant des dérivés d’acide phosphorique et des alkylphénols ultérieurs.

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Figure 2. Hydrolysis reactions in phosphate ester fluid

La température, l’eau et le fluide sont les trois p
Figure 2. Réactions d’hydrolyse dans le fluide d’ester de phosphate

rincipaux paramètres contrôlant les réactions d’hydrolyse, la consommation d’eau étant le facteur limitant. Ces réactions sont autocatalytiques et se déclenchent à des températures prolongées inférieures de 100 à 120 degrés C.Par conséquent, il est recommandé de maintenir une teneur en eau inférieure à 500 ppm et un indice d’acide inférieur à 0,2 milligramme d’hydroxyde de potassium par gramme (mg KOH / g)

Microdiesel
Le microdétalement implique la compression d’une bulle d’air entraînée lors de son passage dans une pompe haute pression. Lors de son effondrement, la bulle d’air libère une grande quantité d’énergie thermique, ce qui provoque des températures élevées de l’ordre de 800 à 1 000 degrés C. Ces températures décomposent le fluide ester phosphate en ses molécules constitutives et conduisent à un assombrissement du fluide. Dans certains cas, le microdésilage peut entraîner la formation de suie et de produits de combustion incomplets.

Les particules de suie sont carbonées, noires et submicroniques. Ils peuvent rester en suspension ou former des dépôts et des vernis dans les internes du système. Ces particules ont le potentiel de boucher les servo-valves, provoquant ainsi de graves problèmes de fiabilité. La présence de particules de suie a également un impact sur les performances des milieux absorbant les acides et sur la résistivité du fluide. Pour cette raison, il est crucial de surveiller la couleur du fluide.

GregLivingstone_Phosphate_2020_figure3 fluides

Figure 3. Formation de savon métallique due à la
lixiviation des métaux par piégeage d’acide traditionnel
milieu réagissant avec les acides

Savons métalliques dans les esters de phosphate
Les utilisateurs du système EHC utilisent fréquemment la technologie traditionnelle des médias anti-acide tels que la terre plus complète pour une élimination plus rapide de l’acide. Cette technologie lessive divers métaux comme l’aluminium, le silicium, le calcium, le sodium et le magnésium. Par conséquent, il est important de surveiller l’analyse élémentaire du fluide. Les métaux lessivés réagissent avec les acides dans le fluide pour former des savons, comme le montre la figure 3.

Les savons métalliques peuvent être alcalins ou neutres. Ils sont généralement insolubles mais peuvent se dissoudre dans le fluide en fonction de son état. Lorsqu’ils sont produits, ces savons ont tendance à précipiter et à former des dépôts dans le système. Ils affectent également la résistivité du fluide et d’autres propriétés de performance.

Les systèmes utilisant de la terre plus pleine voient souvent une diminution de la résistivité lors de l’application initiale de la technologie d’échange d’ions. La résistivité réduite est due à l’élimination des métaux du système. Le déploiement de la technologie moderne des médias absorbant les acides, comme les résines échangeuses d’ions, peut éliminer les métaux lessivés existants et éviter une nouvelle lessivage des métaux dans le fluide.

Surveillance de l’état

Un programme proactif de surveillance de l’état est essentiel pour maintenir avec succès les fluides esters de phosphate. Les rapports d’analyse d’huile traditionnels pour ces types de fluides ne fournissent pas d’informations cruciales sur la santé des fluides en service. Des méthodes de test plus récentes ou non traditionnelles sont recommandées pour surveiller la santé du fluide de manière proactive. Les courbes de titrage acide, la voltampérométrie à balayage linéaire et la colorimétrie par patch membranaire (MPC) sont parmi les méthodes d’essai les plus efficaces.

Courbes de titrage acide
Le test de l’indice d’acide (ASTM D974) est couramment utilisé pour mesurer l’indice d’acide des fluides en service. Dans ce test colorimétrique, un changement de couleur détermine le point final, ce qui rend la mesure difficile pour les échantillons plus sombres. De plus, cette méthode ne mesure que les acides plus forts et non les acides carboxyliques (vernis organique) ou les acides plus faibles (alkylphénols). Le test ASTM D664, qui mesure une plus large gamme d’acides et fournit un indice d’acide total (TAN), est recommandé à la place. En plus de mesurer tous les types d’acides, cette méthode d’essai n’est pas influencée par la couleur du fluide, ce qui réduit le nombre d’erreurs. L’appareil D664 est également automatique, ce qui élimine tout biais dû à l’opérateur par rapport au test D974. Une courbe de titrage acide, telle que générée par la méthode d’essai D664, est présentée à la figure 4.

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Figure 4. Acid titration curves of new, contaminated
and in-service phosphate ester fluids

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Tableau 1. Surveillance de l’état recommandé
méthodes d’essai et leurs limites de condamnation pour les fluides esters de phosphate

Voltampérométrie à balayage linéaire
La voltampérométrie à balayage de revêtement est largement utilisée pour surveiller les antioxydants des huiles de turbine, conformément à la norme ASTM D6971. Un balayage linéaire est appliqué aux échantillons de fluide dans une cellule électrolytique, résultant en un voltammogramme. De même, cette méthode d’essai peut être utilisée pour surveiller les alkylphénols générés pendant l’hydrolyse et la dégradation thermique. Pour les huiles de turbine, cette méthode montre la consommation d’antioxydants, mais pour les esters de phosphate, elle peut révéler une augmentation des contaminants générés par la dégradation des fluides. La voltampérométrie à balayage linéaire est très sensible aux alkylphénols et mesure en dessous de 100 ppm. Par conséquent, c’est la méthode préférée pour vérifier les réactions d’hydrolyse et de condensation dans le fluide d’ester de phosphate.

Colorimétrie par patch membranaire
L’industrie de la production d’énergie utilise régulièrement la colorimétrie à patch membranaire (MPC) pour mesurer le potentiel des vernis. Une méthode similaire est également appliquée au fluide ester phosphate. La méthode consiste à mélanger 50 millilitres d’échantillon avec 50 millilitres de solvant. Après mélange, le mélange fluide passe à travers le patch ester cellulosique. La mesure de la couleur sur la surface du patch donne une valeur «delta E». Plus la couleur est élevée, plus le potentiel de vernis est élevé.

L’observation de la couleur sur un patch MPC peut fournir encore plus d’informations sur le fluide. Par exemple, une tache noire peut indiquer la formation de suie dans le système. Une tache brun foncé peut révéler des produits de combustion incomplets formés à des températures très élevées, tandis qu’une tache verte peut indiquer une lixiviation du cuivre.

Plus d’informations peuvent être recueillies à partir d’un patch MPC en effectuant simplement le test avec un faible volume d’échantillon et en rinçant le patch avec un solvant polaire. La présence de suie ou de vernis organique peut alors être identifiée au microscope.

Fréquence et limites des tests
Le tableau 1 indique les limites d’action recommandées pour la surveillance des fluides d’ester de phosphate. Une gestion proactive des fluides peut aider à réduire les coûts de maintenance à long terme et à prolonger la durée de vie de la machine. Des tests supplémentaires, tels que la viscosité, les chlorures, le nombre de particules, la libération d’air et le moussage, peuvent fournir des informations supplémentaires sur la santé du fluide et du système.

Contrôle de la contamination
Différentes technologies de contrôle de la contamination, telles que la filtration électrostatique, les milieux absorbant les acides et le séchage de la membrane à air, sont couramment utilisées pour éliminer les composés de dégradation ou les contaminants des fluides à base d’ester de phosphate. La figure 5 montre ces technologies et leurs applications cibles.

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Figure 5. Différentes technologies
recommandé pour éliminer des contaminants spécifiques

Filtration électrostatique
La technologie de filtration électrostatique est utilisée pour éliminer la suie et les produits de combustion incomplets. Il fonctionne sur les principes de l’électrophorèse et de la diélectrophorèse. L’électrophorèse est le mouvement de particules dispersées sous l’influence d’un champ électrique spatialement uniforme par rapport à un fluide. La diélectrophorèse est le phénomène d’un champ électrique non uniforme exerçant une force sur une particule diélectrique. Le champ électrique spatialement uniforme charge la particule. Les particules chargées s’agglomèrent et le filtre élimine les particules.

Milieux absorbant les acides
La technologie des milieux d’échange d’ions est un moyen moderne de traiter le fluide d’esters de phosphate en service pour la réduction de l’acide. La technologie d’échange d’ions présente de multiples avantages par rapport aux techniques traditionnelles comme les milieux terrestres plus riches. Le traitement d’échange d’ions élimine plusieurs types de contaminants, notamment les acides plus forts (dérivés de l’acide phosphorique), les acides plus faibles (alkylphénols), le vernis organique soluble (vernis carboxylique), les savons métalliques et certains gels de polyphosphate. De plus, les milieux échangeurs d’ions peuvent restaurer la résistivité d’un fluide.

Différentes combinaisons de milieux ont montré des taux variables d’élimination de l’acide et de saturation en acide, selon l’état du fluide ester phosphate. Certains milieux éliminent uniquement les acides plus forts, tandis que d’autres éliminent principalement les acides les plus faibles. Par conséquent, il est essentiel d’utiliser des mélanges de supports personnalisés. Les courbes de titrage acide peuvent servir d’outil utile pour évaluer la performance des milieux en identifiant la nature des acides, l’adsorption et la saturation en acides.

GregLivingstone_Phosphate_2020_figure6

Figure 6. Une réduction de l’humidité
le contenu est affiché après l’application de
un sécheur à membrane d’air.

Séchage air-membrane

Un sécheur à membrane d’air balaie l’air sec à travers l’espace libre d’un réservoir EHC. L’air sec abaisse la teneur en humidité du fluide par transfert de masse. Les sécheurs à membrane à air peuvent être efficaces pour maintenir de faibles niveaux d’humidité sur le terrain et peuvent être moins coûteux et nécessitant moins d’entretien que les systèmes de déshydratation sous vide.

Entretien des fluides esters de phosphate
Vous devriez maintenant avoir une meilleure compréhension des problèmes les plus importants auxquels les utilisateurs sont confrontés dans la gestion des fluides d’ester de phosphate et pourquoi les tests d’analyse d’huile standard peuvent ne pas toujours identifier certains problèmes. Ces informations devraient également fournir une feuille de route pour tester l’état des esters de phosphate ainsi que les actions recommandées pour garantir des années de performances sans problème. (Greg Livingstone Jatin Mehta, machinerylubrication )

Source : https://www.machinerylubrication.com/Read/31789/phosphate-ester-fluids

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