MAINTENANCE CONDITIONNELLE
Analyse des huiles industrielles
M.RAMADANY
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Analyse des huiles industrielles Le lubrifiant lubrifiant joue différents différents rôles rôles dans l’intégrité l’intégrité des mécanismes. mécanismes. Il consiste en effet à:
Réduire les frottements donc l’usure
Empêcher ou réduire la corrosion
Évacuer la chaleur ainsi que les impuretés
Assurer une isolation électrique
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Analyse des huiles industrielles Le lubrifiant lubrifiant joue différents différents rôles rôles dans l’intégrité l’intégrité des mécanismes. mécanismes. Il consiste en effet à:
Réduire les frottements donc l’usure
Empêcher ou réduire la corrosion
Évacuer la chaleur ainsi que les impuretés
Assurer une isolation électrique
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Analyse des huiles industrielles Notions et grandeurs physiques
On considère considère l’expér l’expérience ience suivant suivantee où le mouvement mouvement de cisaillem cisai llement ent que subit subit le fluide peut peut être considéré considéré comm commee lami la mina nair iree pl plan an :
On tire sur la feuille d’aluminium afin que celle-ci soit animée de la vitesse Vo On montre que Vo augmente avec F , avec e et diminue avec S. M.RAMADANY
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Analyse des huiles industrielles Contrainte de cisaillement
C’est la force que l’on exerce exerce par unité de surface du fluide τ
=
F
S Unité est le Pascal: Pa
Gradient de vitesse
Que se passepasse-t-il t-il au sein sein du fluide fluide ? • si Vo n’est pas trop grande , les molécules de miel en contact avec l’aluminium sont entraînées entraînées par lui à la vitesse vitesse Vo , en une couche mince . • les forces de Van der Waals permettent de transférer une partie de l’énergie cinétique de cette couche aux molécules en dessous qui sont entraînées mais à une vitesse moindre moindre : plus ces forces d’interaction d’interactionss sont fortes , plus le fluide fluide est visqueux et plus la vitesse décroît vite quand on s’éloigne de la couche du dessus. • le mouvement se propage en s’atténuant au sein du liquide : il est nul au contact de la plaque support qui est fixe. M.RAMADANY
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Analyse des huiles industrielles
Le gradient de vitesse va traduire l’évolution de la vitesse au sein du fluide
dv
Unité : S-1
dz Cette grandeur dépend de la contrainte de cisaillement appliquée et de la nature du fluide M.RAMADANY
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Analyse des huiles industrielles Déformation de cisaillement
Considérons un petit élément de surface d’une nappe du fluide dS situé à la côte z. A l’instant t après le début de l’expérience , elle a parcouru une distance x qui dépend de z ( et de t) A la côte z + dz , elle aurait parcouru x+dx E =
dx dz
Sans Unité
La déformation de cisaillement traduit la variation de la distance parcourue par dS en fonction de son éloignement à la plaque support fixe M.RAMADANY
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Analyse des huiles industrielles Viscosité dynamique
Dans l’expérience , lorsqu’on augmente F , en fait on augmente τ on sein du fluide , lorsqu’on augmente Vo , on augmente E au sein du fluide . La façon dont τ varie en fonction de E dépend de la viscosité On appelle viscosité dynamique la grandeur
µ
=
τ E
• Unité : Pa.s ou poiseuille dans le système international . (Symbole Pl ) • Unité usuelle : la poise : 1 poise = 1 /10 Pl ( symbole Po)
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Analyse des huiles industrielles Viscosité cinématique
Cette grandeur est donnée par : Où ρ est la masse volumique du fluide
ν =
ρ
Unité dans le système international : Pa.s.kg-1.m3 On montre que c’est aussi le m2.s-1. Unité usuelle : 1 stoke =10-4 m2.s-1 ou son sous-multiple , le centistoke .
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Analyse des huiles industrielles
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Analyse des huiles industrielles Paramètres influençant la viscosité
a) La température : pour les liquides et les pâtes, la variation de la viscosité avec la température est opposée à celle observée pour les gaz : µ décroît lorsque T augmente. La variation de la viscosité des liquides avec la température T peut être décrite approximativement par une loi d’ Arrhenius
µ = A exp(
B kT
)
b) La nature chimique du liquide ou de la pâte c) La pression :la viscosité des liquides croît faiblement avec la pression. Cette variation est souvent négligeable d) Le temps
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Analyse des huiles industrielles Il existe différentes sortes d'huile : les huiles végétales ou animales ont été largement utilisées dans le
passé, en particulier pour graisser les roues de différentes machines (chars, diligences, moulins).
les huiles minérales sont fabriquées à partir du pétrole brut et ont
permis, à compter du milieu du 19e siècle, le développement de l'industrie.
les huiles synthétiques, aux performances nettement supérieurs,
permettent de dépasser les limites actuelles de l'industrie.
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Analyse des huiles industrielles Rhéogrammes
Ce sont des courbes qui traduiront le comportement mécanique des fluides sous l’effet de cisaillement Le comportement d’un fluide peut être différent si on change la façon de le cisailler ( si la contrainte appliquée varie , il peut en son sein se déformer différemment , sa viscosité peut donc varier ). Exemples :
τ=f(E) µ= f ( E )
Leur représentation graphique est appelée rhéogramme M.RAMADANY
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Analyse des huiles industrielles Fluides newtoniens Un fluide est dit newtonien si sa viscosité est indépendante de la contrainte appliquée . On dit que le fluide est parfait ou linéaire .
Loi de Newton :
µ =
τ E
= cons tan te
Le rhéogramme µ = f( E ) d’un tel fluide est donc une droite passant par l’origine , de pente µ
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Analyse des huiles industrielles Composition d’un Lubrifiant Un lubrifiant est composé d’un mélange d’huile de base (C,H) à laquelle il
faut ajouter des produits chimiques dits additifs pour renforcer ses propriétés Les additifs sont nombreux, et variés selon l’application considérée : • Antioxydant : empêchant l’oxydation de l’huile à haute température en contact avec l’air (phénol, phénate) • Anti usure : permettant la formation d’une couche qui protège contre l’usure en évitant le contact direct avec les surfaces (zinc, esters phosphoriques…) • Anti mousse: limite la formation de la mousse suite aux conditions d’utilisation (Silicone) • Additif détergeant : empêche que les résidus charbonneux de combustion ne forment un dépôt ou des gommes sur la surface • Additif de viscosité : permettre à l’huile d’être suffisamment : - visqueuse à chaud (éviter le contact entre les pièces) - fluide à froid M.RAMADANY
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Analyse des huiles industrielles La qualité du lubrifiant peut être altéré et devenir inapte à accomplir ses fonctions Deux facteurs en sont responsables: La dégradation La contamination La dégradation : oxydation du lubrifiant sous l’effet de la température et de
l’oxygène , elle est favorisée par la présence de catalyseurs (additifs) :Fe ,Cu Oxydation
160 °C
140 °C
120 °C
Niveau initial
100 °C
Temps M.RAMADANY
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Analyse des huiles industrielles La contamination Il est produite par les débris d’usure d’organes de la machine ou par un autre fluide (eau de refroidissement, carburant…)
Les débris solides favorisent l’usure par abrasion des
mécanismes lubrifiés
La contamination à l’eau conduit à la formation d’émulsion et altération
des caractéristiques physico chimiques(viscosité, masse volumique,indice d’acidité…)
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Analyse des huiles industrielles Objectifs de l’analyse et du suivi des huiles
Établir les périodicités optimales pour effectuer des vidanges rationnelles
basées sur la qualité de l’huile : - les fréquences préconisés par le constructeur peuvent être non Disponibles (compteur défaillant) - l’état du matériel et les conditions de fonctionnement changent avec le temps et ces fréquences ne sont plus fiables - les additifs de l’huile peuvent ne plus être en quantité suffisante pour accomplir leurs rôles S’apercevoir de l’usure de l’équipement à son début et évaluer sa gravité Remonter aux organes mis en cause et y remédier : outil de diagnostic
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Analyse des huiles industrielles Classification des huiles Il existe plusieurs classification des huiles industrielles , selon l’intervalle de viscosité,nous citons principalement : Classification SAE (Society of automotive engenners) Classification API (American petrolium institut)
Exemples
à
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Analyse des huiles industrielles Analyse physico- chimique
Il consiste à effectuer un suivi dans le temps des grandeurs physico chimiques de l’huile selon des méthodes normalisées. Parmi ces grandeurs:
Viscosité TAN (indice d’acide) Teneur en eau Pouvoir détergeant Taux de matières charbonneuses
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Analyse des huiles industrielles Mesure de la viscosité Viscosimètres à capillaires Le principe est le suivant : l'échantillon est introduit dans un réservoir. On
mesure le temps d'écoulement du fluide entre deux repères du tube capillaire situé sous le réservoir. Cette information, associée à la constante de l'instrument (liée aux dimensions
du tube) permet de calculer la viscosité cinématique Le principe du viscosimètre à tube capillaire est basé sur l’application de
l’équation de Poiseuille. Cette équation permet de calculer la viscosité d’un fluide traversant un
tube de section circulaire (normalement un capillaire mince)
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Analyse des huiles industrielles
π * a ∆P 4
µ =
8QL
Avec: a : rayon du tube, ∆ P : chute de pression le long du tube, Q : débit volumique du fluide (par unité de temps), L : longueur du tube. M.RAMADANY
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Analyse des huiles industrielles Viscosimètres à chute de bille
Le principe consiste à mesurer le temps de chute d'une bille
roulant et glissant dans un tube cylindrique incliné rempli de la substance à mesurer. On mesure au chronomètre le temps nécessaire pour que la bille parcoure une distance définie Par retournement du cylindre, on peut aussi utiliser le temps
de retour de la bille comme mesure de contrôle. Les résultats sont donnés en viscosité dynamique (en
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mPa.s).
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Analyse des huiles industrielles
2a ( ρ s − ρ ) * g 2
µ =
9v
Avec: a : rayon de la sphère, v : vitesse de la sphère ρs : masse volumique de la sphère, ρ : masse volumique du fluide
g : accélération due à la pesanteur t : temps de chute
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Analyse des huiles industrielles Viscosimètres rotatifs Les viscosimètres rotatifs sont habituellement constitués d'un cylindre en
rotation dans une cuve contenant l'échantillon. La rotation est maintenue à une vitesse constante par un moteur à courant
continu assurant la stabilité de la vitesse. La résistance à l'écoulement de l'échantillon provoque la torsion de la barre d'accouplement moteur cylindre. Cette torsion est détectée par un transducteur Les viscosimètres à cylindres coaxiaux sont les plus utilisés. La viscosité est
déterminée à partir de la mesure du couple à exercer sur le cylindre mobile ou bien à partir de celui nécessaire pour maintenir le cylindre fixe en place Dans ces deux méthodes, la vitesse de rotation à une valeur constante M.RAMADANY
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Analyse des huiles industrielles Considérons deux cylindres coaxiaux verticaux: Le cylindre extérieur tourne avec une vitesse angulaire ω et le cylindre intérieur est suspendu à un fil de torsion. La viscosité du fluide dans l’espace entre les deux cylindres provoque un couple de torsion sur le cylindre intérieur et le déplacement angulaire dans le sens de la rotation est mesuré . R1 et R 2 : rayons des cylindres extérieur et intérieur 2 2 K θ *( R2 − R1 ) v : vitesse tangentielle du cylindre extérieur µ = h : hauteur du cylindre intérieur, 2 4π R2 R1 *vh K : constante de torsion de la suspension θ : déplacement angulaire du cylindre intérieur par rapport à sa position d’équilibre.
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Analyse des huiles industrielles La mesure du TAN
Elle renseigne également sur l'état de l'huile. C'est une détermination
importante dans l'analyse du fluide. Les additifs, en vieillissant, voient leur acidité spécifique (naturelle) diminuer. Parallèlement l'huile, en s'oxydant, fait évoluer le TAN jusqu'à un certain point où sa dégradation s'accélère très rapidement et provoque une augmentation importante de l'indice d'acide Il en résulte une courbe de l'évolution du TAN en fonction du temps d'utilisation
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Analyse des huiles industrielles Teneur en eau Elle peut être due à : Une défaillance au niveau du circuit de refroidissement Une condensation de la vapeur d’eau
Elle peut altérer de façon très notable les caractéristiques physicochimiques à savoir: viscosité,formation d’émulsion… Méthode
par centrifugation (NF M 07020)
Mélanger à volume égal l’huile à analyser et du toluène (solvant) L’eau et les sédiments sont séparés par centrifugation Mesure la teneur en eau et en sédiments du pétrole brut et des huiles
combustibles Seuil de détection : 0,1 % M.RAMADANY
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Analyse des huiles industrielles Méthode de Dean & Stark Laver 100 cm3
(NF T 60-113)
d’huile à analyser avec un solvant non miscible à l’eau (le xylène)
Après distillation à reflux du solvant, l’eau est séparée par condensation dans un
tube gradué Seuil de détection:
0,1%
Méthode de Karl Fisher
(NF T 60-150)
Elle est basée sur la réaction de réduction de l’iode par l’anhydride sulfureux en présence d’eau. Cette méthode est principalement utilisée pour le suivi des huiles pour compresseurs frigorifiques et des huiles isolants
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Analyse des huiles industrielles Méthode ELF
Réaction d’hydrure de calcium sur les particules d’eau en présence dans l’huile
2 H 2O + 2 HCa → 3 H 2 ↑ +2CaO Les étapes de la méthode: Fluidifier l’huile (addition d’un volume donné d’un solvant) Placer la capsule d’hydrure de calcium Fermer le récipient et assurer son étanchéité Mettre en contact l’huile avec le contenu de la capsule Lire la pression d’H2
sur le manomètre étalonné (% volume)
Améliorer la précision de la mesure en augmentant le volume de
l’échantillon d’huile M.RAMADANY
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Analyse des huiles industrielles Pouvoir détergeant (essai à la tâche) C’est le pouvoir dispersant de l’huile. Il consiste à évaluer qualitativement la capacité de l’huile à entraîner les matières charbonneuses et résidus (éviter le colmatage) qu’elle contient vers la périphérie lors de son écoulement Principe: Diffusion d’une goutte d’huile sur un papier filtre observée après une durée de 24 heures
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Analyse des huiles industrielles Taux de matières charbonneuses Elle mesure les impuretés dues à la dégradation de l’huile (suies,carbone…) Le principe est de les faire précipiter dans un solvant tel que le pentane ou le
toluène suivant la norme NF T 60-157
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Analyse des huiles industrielles importance de la contamination L’ analyse gravimétrique
Réalisée sur une membrane de microfiltration de taille variant de 0,8µ à 12µ ,elle permet d’évaluer la quantité totale de particules qu'elles soient métalliques générées par l'usure des pièces en mouvement, par l'usinage de pièces sur machines-outils, ou provenant de pollution tels rouille peinture, poussières, joints. Une pesée de la membrane permet d'obtenir la quantité de particules en poids
par rapport au volume d'huile traitée
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Analyse des huiles industrielles Contamination d’une huile moteur
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Analyse des huiles industrielles Contamination d’une huile de transmission
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Analyse des huiles industrielles Analyses
spectrométriques
Le but de ces analyses consiste à avoir: une analyse fine une détermination précise du degré de dégradation ou de la contamination l’origine de la contamination (organes défectueux) Méthodes
utilisées
Spectrographie Spectrométrie
infrarouge
d’émission
Ferrographie Comptage des particules
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Analyse des huiles industrielles Spectrographie
infrarouge
• Elle renseigne sur la nature du lubrifiant analysé. Cette analyse consiste à
faire passer un rayon infrarouge au travers du lubrifiant, un tracé est ainsi obtenu. Chaque type de lubrifiant possède un spectre spécifique, dépendant de sa composition. • En comparant le spectre IR du produit neuf avec ceux du produit usagé et du produit régénéré le laboratoire vérifie la conformité du produit revalorisé Domaine d’utilisation • Identification d’une huile (nature des hydrocarbures en présence) • Détermination des additifs et leur proportions • Formation et évolution d’une huile en service (formation de produits
d’oxydation) • Contamination par des produits étrangers
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Analyse des huiles industrielles Spectrométrie
d’émission La spectroscopie permet de déterminer les différents composants du contaminant. La concentration des divers éléments polluants peut être déterminée, à l’aide d’un microscope électronique, par spectrographie d’émission. Elle est effectuée par la mesure des longueurs d ’ondes émises par les particules au travers d’un flux d’argon ionisé porté à plusieurs milliers de degrés. Les particules détectées sont inférieures à 10 microns. Il est conseillé de compléter cette analyse par la méthode d’absorption atomique. Domaine d’utilisation identification des atomes en présence dans l’huile détermination des additifs et leurs proportions détermination des contaminant s et donc des organes usés indication du degré de l’usure mais pas la taille des particules M.RAMADANY
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Analyse des huiles industrielles Ferrographie
Elle évalue la concentration en particules ferromagnétiques et en examinant sa répartition granulométrique. Consiste à fixer les particules magnétiques dans un capillaire et à faire des
mesures à l’aide d’un microscope. Elle permet de détecter Des particules ferromagnétiques de 1 à 250 microns La ferrographie peut être faite à lecture directe, analytique ou en ligne. La méthode permet de mesurer les grosses particules L et les petites S,la concentration en particules Une usure anormale (grippage) se manifeste par une augmentation des grosses particules.
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Analyse des huiles industrielles Ferrographie analytique Préconisée si la ferrographie à lecture directe indique une usure sévère(jusqu’à 250 µm) Son principe consiste à déposer les contaminants métalliques sur
un support en verre en fonction de leur taille
la forme et la couleur observées au microscope permettent de les
identifier
Comptage des particules
• Son but est d’évaluer le degré de sévérité de la contamination du
lubrifiant
• il permet de connaître la quantité et la qualité dimensionnelle des
contaminants présents dans la charge d'huile. Une classification de ces polluants est ensuite définie selon les normes souhaitées : ISO ou NAS. • Cette analyse procure des informations essentielles pour utiliser un
fluide dans les circuits exigeants des produits exempts de polluants solides. M.RAMADANY
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Analyse des huiles industrielles Comptage des particules
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Analyse des huiles industrielles Exemple
rapport d’analyse d’huile à moteur neuve 15W30 (Delvac 1300)
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