Comment l’eau provoque la défaillance des roulements.

Il suffit d’une petite quantité d’eau (moins de 500 ppm) pour raccourcir considérablement la durée de vie des roulements à billes . Il existe une grande quantité de recherches qui soutiennent cela. Étant un croisé de longue date du pétrole propre et sec, je ne prétendrai certainement pas le contraire. En fait, les effets destructeurs de l’eau sur les roulements peuvent facilement atteindre ou dépasser ceux de la contamination particulaire , selon les conditions.

Mon thème pour cette chronique n’est donc pas de savoir si l’eau est nocive, mais plutôt comment elle le fait. Savoir comment l’eau attaque et cause des dommages aide à fixer des objectifs de sécheresse importants et facilite également les enquêtes sur les défaillances post mortem. De plus, lorsque la contamination par l’eau est inévitable, la compréhension de ces modes de défaillance induits par l’eau peut être utile dans la sélection optimale des lubrifiants, des roulements et des joints à des fins défensives.

L’eau : le fléau de nos machines

Il n’y a pas de contaminant plus complexe, intense et confondant que l’eau. Les raisons sont encore à l’étude, mais elles comprennent ses différents états de coexistence avec l’huile et ses nombreuses transformations chimiques et physiques conférées en service. Individuellement et collectivement, les problèmes induits par l’humidité endommagent à la fois l’huile et la machine et peuvent certainement conduire, lentement ou brusquement, à une défaillance opérationnelle du roulement. Ne sous-estimez pas le potentiel d’attaque de l’eau.

L’eau peut endommager directement les surfaces de la machine, à travers une séquence d’événements et souvent avec une variété d’aides. Dans de nombreux cas, les dommages les plus graves sont la défaillance en cascade ou en chaîne. Par exemple, l’eau peut d’abord entraîner une oxydation prématurée de l’ huile de base . Lorsque les oxydes se combinent avec plus d’eau, un environnement fluide acide corrosif existe.

De même, l’oxydation peut rejeter des insolubles boueux et augmenter la viscosité de l’huile . Les deux processus peuvent entraver le débit d’huile et endommager le roulement. Ne pas être en reste, l’eau et l’environnement oxydant peuvent bloquer l’air dans l’huile, amplifiant encore plus les problèmes de lubrification. Il est souvent vrai que plus les choses empirent, plus vite elles empirent ; tout a commencé par l’eau.

Modalités d’échec

Afin de garder cette colonne à une longueur et une portée gérables, les modalités décrites ci-dessous seront brèves et précises. J’ai laissé de côté ceux qui sont tirés par les cheveux ou techniquement abstraits, ainsi que quelques-uns plus enracinés dans les traditions populaires que dans les faits scientifiques. Il y a même certains modes de défaillance sur ma liste qui sont largement dérivés de conjectures, mais toujours crédibles. Enfin, je n’ai fait aucun effort pour classer les modes de défaillance en termes de gravité ou de points communs. Ma liste:

Fractures induites par l’hydrogène. Souvent appelé fragilisation par l’hydrogène ou cloquage, ce mode de défaillance est peut-être plus aigu et répandu que la plupart des tribologues et fabricants de roulements ne le savent. Les sources d’hydrogène peuvent être l’eau, mais aussi l’électrolyse et la corrosion (aidées par l’eau).

Il est prouvé que l’eau est attirée par les fissures de fatigue microscopiques dans les billes et les rouleaux par des forces capillaires. Une fois en contact avec le métal libre à l’intérieur de la fissure, l’eau se décompose et libère de l’hydrogène atomique. Cela provoque une propagation et une fracture supplémentaires des fissures. Les aciers à haute résistance à la traction sont les plus exposés. Le soufre des additifs (extrême pression (EP), anti-usure (AW), etc.), les huiles minérales et le sulfure d’hydrogène environnemental peuvent accélérer l’avancement de la fabrication. Le risque est posé à la fois par l’eau soluble et l’eau libre.

Corrosion. La rouille a besoin d’eau. Même l’eau soluble peut contribuer à la formation de rouille. L’eau donne aux acides leur plus grand potentiel corrosif. Les surfaces gravées et piquées par la corrosion sur les pistes de roulement et les éléments roulants perturbent la formation de films d’huile élastohydrodynamiques (EHD) critiques qui donnent aux lubrifiants de roulement une résistance pour contrôler la fatigue et l’usure de contact. L’attaque statique et le fretting sont également accélérés par l’eau libre.

Oxydation. De nombreux roulements n’ont qu’un volume limité de lubrifiant et, par conséquent, juste un scintillement d’antioxydant. Des températures élevées accompagnées de particules métalliques et d’eau peuvent consommer rapidement les antioxydants et débarrasser le lubrifiant de l’environnement protecteur oxydatif nécessaire. Les conséquences négatives de l’oxydation de l’huile sont nombreuses, mais comprennent la corrosion, les boues, le vernis et un écoulement d’huile altéré.

Appauvrissement additif. Nous avons mentionné que l’eau contribue à l’épuisement des antioxydants, mais qu’elle paralyse ou diminue également les performances d’une foule d’autres additifs. Ceux-ci incluent AW, EP, inhibiteurs de rouille, dispersants, détergents et agents désémulsifiants.

L’eau peut hydrolyser certains additifs, en agglomérer d’autres ou simplement les laver du fluide de travail dans des flaques d’eau sur les sols des puisards. Les additifs EP soufre-phosphore en présence d’eau peuvent se transformer en acides sulfurique et phosphorique, augmentant l’indice d’ acide (AN) d’une huile.

Restrictions de débit d’huile. L’eau est très polaire et, à ce titre, a la capacité intéressante d’éponger les impuretés pétrolières également polaires (oxydes, additifs morts, particules, fines de carbone et résine, par exemple) pour former des boules de boue et des émulsions. Ces suspensions amorphes peuvent pénétrer dans les passages d’huile critiques, les presse-étoupes et les orifices qui alimentent les roulements en huile de lubrification.

Lorsque la boue entrave l’écoulement de l’huile, le roulement souffre d’un état de famine et la défaillance est imminente. De plus, les filtres ont une courte durée de vie dans les systèmes d’huile chargés de boues en suspension. Dans des conditions inférieures au point de congélation, l’eau libre peut former des cristaux de glace qui peuvent également interférer avec le débit d’huile.

Aération et mousse. L’eau abaisse la tension interfaciale d’une huile (IFT), ce qui peut paralyser sa capacité de traitement de l’air, entraînant de l’ aération et de la mousse. Il ne faut qu’environ 1 000 ppm d’eau pour transformer votre puisard de roulement en bain moussant. L’air peut affaiblir les films d’huile, augmenter la chaleur, induire une oxydation, provoquer une cavitation et interférer avec le débit d’huile ; tout catastrophique pour le roulement. L’aération et la mousse peuvent également neutraliser l’efficacité des déflecteurs d’huile, des huileurs à anneau et des huileurs à collier.

Résistance du film altérée. Les roulements à éléments roulants dépendent de la viscosité d’une huile pour créer un jeu critique sous charge. Si les charges sont trop importantes, les vitesses sont trop faibles ou la viscosité est trop faible, la durée de vie du roulement est raccourcie. Lorsque de petits globules d’eau sont attirés dans la zone de charge, le jeu est souvent perdu, ce qui entraîne un choc ou un frottement des surfaces opposées (élément roulant et chemin de roulement). Les lubrifiants deviennent normalement rigides sous la charge (appelée leur coefficient de pression-viscosité) qui est nécessaire pour supporter la charge de travail (souvent supérieure à 500 000 psi).

Cependant, la viscosité de l’eau n’est que d’un centistoke et cette viscosité reste pratiquement inchangée, quelle que soit la charge exercée. Il n’est pas bon pour supporter des charges à haute pression. Il en résulte une résistance du film effondré suivi de fissures de fatigue, de piqûres et d’éclats. L’eau peut également jaillir ou exploser en vapeur surchauffée dans les zones de charge des roulements, ce qui peut fortement perturber les films d’huile et potentiellement fracturer les surfaces.

Contamination microbienne. L’eau est un promoteur connu de micro-organismes tels que les champignons et les bactéries. Au fil du temps, ceux-ci peuvent former des suspensions de biomasse épaisses qui peuvent obstruer les filtres et interférer avec le débit d’huile. La contamination microbienne est également corrosive.

Lavage à l’eau. Lorsque la graisse est contaminée par de l’eau, elle peut se ramollir et s’écouler du roulement. Les pulvérisations d’eau peuvent également laver la graisse directement du roulement, en fonction de l’épaississant de graisse et des conditions.

La solution évidente au problème de l’eau est une solution proactive ; c’est-à-dire, empêcher l’intrusion d’eau dans l’huile/la graisse et l’environnement des roulements. La seule eau qui ne cause pas de dommages est celle qui n’envahit pas votre système. Les tactiques d’exclusion des contaminants sont toujours un investissement de maintenance judicieux.

Adoptez une vision à long terme en contrôlant les facteurs de risque dès aujourd’hui, alors que le roulement a encore une durée de vie utile restante (RUL). Le coût de l’élimination de l’eau et/ou de la réparation des dommages qu’elle cause dépassera de loin tout investissement pour l’exclure de l’entrée. Alors s’il vous plaît, ne lésinez pas sur le contrôle « proactif » de la contamination.

(Jim Fitch , Noria Corporation )