Analyse des causes de détérioration des roulements d’éoliennes

Les symptômes de détérioration des roulements appelés « écaillage en phase blanche », qui se produisent dans les éoliennes ainsi que dans d’autres systèmes d’entraînement, sont en général perceptibles très tôt, bien avant la fin de la durée de vie escomptée du roulement. Les causes sont longtemps demeurées inconnues mais aujourd’hui, le spécialiste des roulements NSK fait état de nouvelles découvertes dont les résultats ont conduit au développement d’un nouveau matériau de roulement. Les éléments d’entraînement des éoliennes doivent satisfaire à des exigences strictes. Elles exigent traditionnellement des roulements conçus pour une durée de vie de 175 000 heures, correspondant à 20 ans. Cependant, dans le marché en forte croissance des fermes éoliennes offshore, une durée de vie de 25 ans est requise.

Longévité supérieure, charges dynamiques accrues

Cette exigence constitue un sérieux défi en raison des charges dynamiques extrêmes s’exerçant sur l’entraînement de l’éolienne. Dans les éoliennes onshore, les roulements principaux subissent des charges d’environ 1 MN. Mais en mer, du fait des grandes vitesses du vent, des charges statiques et dynamiques encore plus fortes affectent le rotor et, par voie de conséquence, l’ensemble de la transmission. Dans le même temps, les dimensions et les performances des applications aussi bien onshore qu’offshore ne cessent de croître. NSK fabrique actuellement des roulements pour des éoliennes de 9,5 MW, qui entreront prochainement en production à grande échelle.

Recherche des causes d’écaillage en phase blanche

Un problème qui affecte encore le secteur, c’est le type de dommage appelé écaillage en phase blanche (WSF) ou fissures de phase blanche (WEC). En cas de double mode de défaillance, certaines zones du matériau sous le chemin de roulement présentent une fragilisation locale. La structure fragilisée n’est pas en mesure de supporter la charge et constitue ainsi le noyau des fissures. Finalement, ces fissures s’étendent au chemin de roulement et au bout du compte, le roulement lâche. Ce type de dommage apparaît habituellement relativement tôt, parfois peu après la mise en service du système. Les essais approfondis réalisés au Département de Recherche & Développement de NSK ont permis de reproduire les dommages et d’avancer une hypothèse quant à leur origine. Les différents essais de fatigue due au contact de roulement ont montré que ces défauts surviennent à cause d’une pénétration d’hydrogène. Cette pénétration est très vraisemblablement affectée par différents facteurs et leur association, dont notamment le décalage axial ou circonférentiel entre les rouleaux et les chemins de roulement, l’électricité et certains types de lubrification. D’où vient donc l’hydrogène ? En comparant un roulement neuf avec un roulement usé, l’équipe centrale de recherche NSK a conclu que l’hydrogène ne se formait que lorsque les roulements étaient en fonctionnement. Il est probable (c’est du moins l’hypothèse initiale) que l’hydrogène provient des chaînes hydrocarbonées des lubrifiants et de leurs additifs.

Nouveaux alliage, traitement thermique spécifique

NSK a développé de nouveaux alliages qui donnent de meilleurs résultats lors des essais de fatigue due au contact de roulement. Dans les essais avec charge d’hydrogène, la composition chimique optimisée s’est traduite par une résistance au WSF multipliée par cinq par rapport aux aciers de roulement conventionnels. Une amélioration significative a également été obtenue grâce au traitement thermique optimisé. En se fondant sur ces constats, NSK a introduit un nouveau matériau de roulement appelé AWS-TF qui allie une composition chimique optimisée à un traitement thermique optimisé. Les essais ont montré que même si les roulements réalisés en AWS-TF n’éliminent pas complètement le risque de WEC, le laps de temps avant l’apparition des dommages était cinq à sept fois plus élevé qu’avec les aciers de roulement conventionnels.