Brevet FR2458736A1 — publié le 19810102

La presente invention concerne un procédé de protection de surfaces exposées à l'érosion, ainsi que des couches d'interface et plus précisément des couches d'interface à régénération automatique, capables de protéger une surface qui est normalement exposée à des milieux provoquant une érosion importante. Ces milieux ont de telles propriétés à cause d'une température élevée, d'une pression élevée, de la présence de matières caustiques ou de la présence de suspensions. L'érosion des constituants des installations par les matières particulaires entraînees par des fluides est la cause sous-jacente de 20 % environ des défaillances de l'appareillage de transformation du charbon, suivant une analyse récemment effectuée par l'organisme "The National Bureau of Standards". La Demanderesse a obtenu des résultats expérimentaux qui montrent que l'utilisation de matière composite peut provoquer une amélioration importante de la résistance à l'érosion. Bien qu'une telle matière composite ait été réalisée spécifiquement pour un appareillage de traitement de suspensions de charbon, elle convient également bien à toute surface qui doit être protégée contre les matières particulaires capables de provoquer une érosion. La détérioration des différents éléments des pompes par érosion et abrasion constitue un problème lancinant depuis de nombreuses années. Différentes techniques ont été envisagées pour la réduction de l'usure, et elles sont en général comprises dans trois catégories principales : (1) l'utilisation de matières durcies de base, (2) l'utilisation de matières dures de revêtement, et (3) l'utilisation de revêtements mous capables d'absorber l'énergie. Chacune de ces techniques présente ses avantages et ses inconvénients ; l'invention se distingue par mise en oeuvre d'une technique de réglage de la couche limite. Plus précisement, l'invention concerne la formation d'une couche d'interface à régénération automatique qui comporte une matière composite 10 contenant une densité élevée de fibres minces 14 de faible longueur associées solidairement à une matière 16 de support constituant un liant. Des particules solides d'une suspension de charbon frappent la matière composite 10 et provoquent une petite usure initiale. Les particules sont alors soit rejetées par les fibres 14, soit saisies et serrées dans la couche fibreuse 10 ayant une densité élevée de fibres. Il se forme ainsi une interface à régénération automatique entre les surfaces de pompage et le courant de suspension. De manière analogue, l'érosion par des matières à température élevée peut être réduite par utilisation de la même matière composite qui crée une couche d'interface thermique. Ainsi, l'invention concerne une couche d'interface à régénération automatique. Elle concerne aussi un dispositif de protection des surfaces exposées à des milieux érosifs. Elle concerne aussi un dispositif de protection des pompes de suspension de charbon contre les matières particulaires érosives. Elle concerne aussi la protection contre l'usure dans des milieux à température élevée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une coupe schématique représentant des fibres très denses, une matière de support formant un liant et un substrat ; - la figure 2 est une perspective schématique représentant la matière composite - la figure 3 est une représentation schématique permettant la description du mécanisme d'usure sur une face longitudinale ; - la figure 4 est une coupe schématique représentant la configuration géométrique d'une surface transversale de la matière composite ; - la figure 5 est une coupe schématique illustrant les mécanismes supposés de protection par le liant - la figure 6 est une coupe schématique agrandie représentant l'absorption d'énergie par les fibres qui fléchissent ; et - la figure 7 est une coupe schématique représentant le mécanisme d'usure thermique et la couche limite protectrice. L'invention concerne ainsi une couche d'interface à régénération automatique formée par une matière composite 10 constituée de plusieurs courtes fibres 14 bien tassées, solidaires les unes des autres grâce à l'interposition d'une matière 16 de liant. Les fibres 14 sont de préférence enrobées dans la couche 16. Cependant, ces fibres peuvent dépasser au-dessus de la surface de la couche 16 en formant ainsi une couche superficielle. Les fibres 14 qui sont analogues à des trichites, peuvent être formées par toute matière fibreuse de résistance mécanique élevée et/ou résistant bien aux températures élevées, et elles peuvent être enrobées dans la couche 16 du liant de toute manière connue. La matière composite 10 peut être liée par tout dispositif classique, par exemple par brasage, soudage par diffusion, mise en forme à chaud ou maintien par des éléments mécaniques rapportés, sur un substrat 18 dont la protection est recherchée, ou la matière peut elle-même être utilisée comme surface auto-protectrice. Bien que les détails de l'optimisation de la matière composite destinée à des milieux particuliers correspondant à des suspensions et des conditions thermiques particulières doivent être déterminés cas par cas, certaines directives générales doivent être appliquées dans le cadre de l'invention. Le tableau qui suit indique sous forme résumée les paramètres, les meilleures valeurs prévues et les tendances. Les directives indiquées ont été mises en oeuvre de façon générale dans la sélection d'une matière composite bore-aluminium (B/A1) qui constitue la matière composite la plus avantageuse dans les conditions régnant dans une suspension de charbon, mais l'utilisation de cette matière est aussi déterminée en partie par sa disponibilité auprès d'un fournisseur.Cependant, les considérations indiquées peuvent être utilisées pour la sélection d'une matière destinée à chaque application particulière. TABLEAU Paramètre Meilleure valeur Raison dureté de la fibre élevée résistance propre à et/ou compatibili- la détérioration par té avec les hautes les chocs et/ou fonc températures tionnement à tempéra ture élevée module des fibres dépend de ltener- le fléchissement de diamètres des fi- gie cinétique la fibre sous l'ac bres des particules tion d'un choc appli espacement des fi- de la suspension que à une face trans bres ) -défaut de la fi- ver s ale absorbe de bre à fléchir pour l'énergie et amortit emmagasiner tempo- le choc. La fibre doit rairement de l'é- résister à la rupture nergie sous le choc espacement des dépend du diamè- doit être suffisamment fibres tre des particules grand pour que toutes de la suspension les particules s'amon cellent en formant une couche à l'interface entre le liant et la suspension, sur une face transversale, mais doit être suffisamment faible pour que les particules ne pénètrent pas entre les fibres en venant frapper la face longitudinale propriétés mé- dureté élevée, donnent de bonnes proprié caniques du liant bon allongement tés mécaniques à la ma tière composite et une bonne résistance à l'érosion des faces longitudinales TABLEAU (suite) Paramètre Meilleure valeur Raison interface liant- résistance élevée à empêche la séfibres la traction et au ci- paration des fibres saillement, résistance sur la face lon à la dégradation en gitudinale présence du liquide de la suspension conductibilité faible les matières comthermique liant- posites ont une réfibres Si stance thermique élevée à la trans mission de chaleur diffusivité ther- faible faible conductivité mique liant- thermique des mafibres-charbon tières composites et faible capacité calorifique des particules solides enrobées, se com binant pour donner une résistance éle vée à la transmission transitoire de cha leur Des essais de# la couche composite 10 ont été réalisés sur des échantillons de matière composite borealuminium contenant environ 40 % en volume de monofilaments de bore de diamètre égal à 0,14 mm, dans un liant d'alliage d'aluminium 6061 ayant subi un traitement-thermique.Après une heure d'exposition avec un angle d'incidence de 200, dans une suspension de charbon dansunehuile ayant une vitesse de 79 m/s, l'échantillon ne présente aucune érosion notable des filaments durs de bore. L'érosion de l'aluminium a progressé sur une profondeur de 0,66 mm seulement ; il est évident que les filaments de bore ont rempli leur fonction de protection du liant sous-jacent. Des résultats d'autres essais donnent des encouragements analogues. Après une exposition totale de 450 h dans une pompe de suspension de charbon, l'érosion du liant d'aluminium est d'environ 1,5 mm au bord antérieur de l'échantillon. Les extrémités des filaments de bore sont exposées sur une profondeur estimée de 1,5 mm, des morceaux de charbon étant logés dans certaines régions comprises entre des filaments. Sur les surfaces longitudinales de l'échantillon, une érosion superficielle de l'aluminium a été interrompue de manière évidente lorsque les filaments durs ont été exposés bien que, dans ce cas, on n'observe pas le piégeage de charbon. L'érosion transversale à la surface est d'environ 0,40 mm en 450 h dont la plus grande partie soit 0,25 mm est due à la réduction initiale de la peau ou couche externe d'aluminium. Bien qu'une matière fibreuse de résistance mécanique élevée et résistant à température élevée puisse être incorporée dans presque toutes les structures de support formées par un liant, les matières fibreuses les plus avantageuses sont la matière composite bore-silicium Borsic, le tungstène, l'acier, une grille d'acier, A1203, SiC et le bore, bien que la matière la plus avantageuse soit le bore. Les matières les plus avantageuses de support, formant un liant, sont l'aluminium, le titane, le bronze, le caoutchouc, l'acier, les céramiques et les résines époxydes, la plus avantageuse étant l'aluminium. La densité des fibres en volume et le diamètre des fibres doivent être déterminés dans chaque cas et pour chaque combinaison de fibres et d'un liant. Cependant, une densité de fibres comprise entre environ 20 et 70 % en volume est avantageuse, une valeur de 40 % environ en volume étant très avantageuse. Le diamètre des fibres doit être compris entre environ 0,05 et 0,5 mm, une valeur de 0,14 mm étant la plus avantageuse. Comme les matières composites telles que la couche composite 10 à régénération automatique sont anisotropes, les mécanismes d'usure doivent être considérés d'après les différentes directions. La figure 2 est un schéma d'une matière composite comprenant des fibres unidirectionnelles, la matière B/A1 considérée selon l'invention étant un exemple, les directions principales et la terminologie étant repérées, la face supérieure étant une face transversale et les faces verticales des faces longitudinales. Le programme d'essai decettematière composite B/A1 montre qu'elle résiste très bien à l'usure dans les deux directions principales. Le mécanisme supposé d'usure le long des faces longitudinales repose sur l'érosion initiale du liant exposé 16 qui ne laisse sous forme exposée que les fibres dures 14 d'armature. La figure 3 illustre ce mécanisme. Pour que ce dernier retarde l'usure de façon satisfaisante, les fibres 14 d'armature doivent ellesmêmes être dures. En outre, leur espacement doit être suffisamment faible pour que les plus grosses particules de la suspension (qui sont les plus nuisibles) ne puissent pas pénétrer entre les fibres. Le liant doit être aussi dur que possible en pratique, et la liaison entre le liant et les fibres doit être aussi résistante à la fois sous l'action des charges normales que sous l'action des forces de cisaillement.La résistance mécanique à l'interface est particulièrement importante car, dans le cas contraire, la fibre dure 14 pourrait être facilement coupée par dessous et détachée de la surface. Ainsi, comme indiqué sur la figure 3, la fibre 14 doit avoir une résistance de liaison au liant 16 aussi élevée que possible. Autrement, elle se détache de la surface du liant 16 dès que la partie circonférentielle de la liaison fibre-liant devient inférieure à 1800. En outre, la liaison ne doit pas se dégrader notablement pendant l'exposition au liquide de la suspension. Le mécanisme d'usure longitudinale repose donc sur une petite érosion contrôlée du liant en surface. Bien que ce phénomène provoque la formation d'une structure à surface légèrement irrégulière, les irrégularités ne doivent pas être plus grosses qu'un diamètre de fibre. Lorsque cet état est atteint, une érosion supplémentaire de cette face doit être très petite,afin que les fibres ne se détachent pas. L'érosion sur la face transversale, c'est-à-dire la face supérieure sur la figure 2, est plus complexe en un certain sens car plusieurs mécanismes distincts ont été identifiés. Il est d'abord important que le concept d'érosion soit défini dans le cas d'une matière composite. Comme dans le cas de la face longitudinale, les premiers chocs de la suspension provoquent une érosion de la matière relativement molle du liant. La réduction de l'usure devient alors essentiellement tributaire de la stabilisation du processus d'érosion de manière que le liant 16 ne s'use pas indéfiniment (c'est-à-dire que l'érosion du liant présente une saturation), et de la suppression de l'érosion des fibres 14. La réalisation de la surface qui résiste à l'usure est donc essentiellement un problème concernant la mise en oeuvre de la présence des fibres 14 pour la réduction au minimum de l'érosion du liant, avec simultanément la réduction des détérioration des fibres. La figure 4 représente la configuration géométrique fondamentale de la surface transversale de la matière composite. La figure 5 représente les trois mécanismes fondamentaux de résistance à l'usure permettant aux fibres d'empêcher l'usure du liant lorsque la surface de celui-ci a légèrement reculé. Selon le mécanisme 20, une particule ne peut pas atteindre la surface du liant 16 du fait du faible espacement des fibres. Ainsi, la configuration géométrique de l'arrangement des fibres limite le diamètre des particules qui peuvent atteindre la surface du liant. Un résultat des études effectuées porte sur la prédiction de la durée, celle-ci pouvant être représentée par une équation de la forme a Loe 3 n (1) cd VT dans laquelle L représente la durée, a la dureté Brinnell de la matière, c la concentration en matières solides de la suspension, d le diamètre des particules, VT la vitesse du courant sur la surface et n l'exposant de la vitesse (satisfaisant à la relation 1,9 $ n 4 2,1 dans le cas d'une suspension de charbon dans une huile). Le mécanisme 20 est supposé prolonger la durée du liant par réduction du diamètre des particules qui peuvent atteindre la surface. Le mécanisme 22 met en oeuvre un second effet géométrique, la réduction des directions d'incidence directe. Une particule 26 de suspension ne peut pas facilement péné trerdans la forêt de fibres 14, surtout lorsque le diamètre des particules est comparable à l'espacement des fibres et lorsque l'angle d'incidence O est faible. La particule, pour atteindre la surface du liant, doit venir au contact des fibres un grand nombre de fois. A chaque choc, elle perd de l'énergie qu'elle transmet aux fibres par trans formation en énergie de déformation élastique, comme décrit plus en détail dans la suite. Comme indiqué dans l'équation (1), la durée L augmente par réduction de la vitesse VT. Le mécanisme 24 repose sur le piégeage et la retenue d'une petite fraction des particules solides 26 entre les fibres 14, à l'interface du liant et de la suspension. Le mince revêtement résultant de particules constitue une barrière protectrice qui se renouvelle automatiquement et qui empêche l'érosion du liant. La durée L représentée par l'équation (1) augmente du fait de la réduction de la vitesse efficace VT à une valeur nulle. Deux mécanismes de piégeage peuvent être suppo sés pour cet effet : (a) un mécanisme élastique de "brucelles" selon lequel les filaments s'écartent élastiquement puis reviennent élastiquement et maintiennent les particules, et (b) un mécanisme de kigidité" selon lequel les filaments ne fléchissent pas notablement sous l'action des particules incidentes mais forment un arrangement rigide de sites de piégeage. Le mécanisme d'élasticité nécessite un arrangement d'éléments robustes et flexibles se comportant comme des poutres élastiques montées en porte-à-faux, formés d'une matière ayant par elle-même une résistance raisonnable à l'érosion. L'équation mécanique représentant le fléchissement d'une poutre est donnée par la relation Q3 3EI dans laquelle 6 représente le fléchissement, P la force appliquée perpendiculairement à l'axe du filament, Q la longueur exposée du filament, E le module d'élasticité du filament et I le moment d'inertie du filament (dans le cas d'un filament de section circulaire, ce moment I est proportionnel au cube du diamètre). L'équation qui précède montre que la fibre ou le filament idéal 14 pour le mécanisme d'élasticité a un module élastique modéré à faible, une résistance mécanique élevée et un faible diamètre, c'est-à-dire que la fibre doit fléchir facilement et doit revenir élastiquement en piégeant les particules. Le mécanisme de rigidité nécessite que les filaments aient un module élevé d'élasticité, une résistance mécanique élevée et une résistance élevée à l'érosion (un bon indice initial de cette dernière propriété est la dureté). Chacun des mécanismes de réduction d'usure considéré pour le liant 16 repose sur la préservation des fibres d'armature qui dépassent de la surface actuelle du liant 16. Un procédé évident à cet effet est l'amélioration de la dureté a de l'équation (1), les fibres devant être aussi dures que possible (résistance à la pénétration et à la détérioration par choc). Un second mécanisme important de réduction de l'usure des fibres est représenté sur la figure 6. Les fibres 14 sont ancrées rigidement dans le liant 16 et elles peuvent fléchir, à la manière de poutres montées en porte-à-faux, lorsqu'elles sont frappées par les particules du courant de suspension. L'équation (2) représente le fléchissement 6 de la fibre. Lorsque la fibre 14 fléchit, elle absorbe de l'énergie de la particule incidente 26 et transforme l'énergie cinétique de la particule en énergie potentielle de la poutre qui fléchit par déformation élastique, cette énergie étant ensuite libérée sans risque lors du retour élastique. L'énergie conservée doit être calculée quantitativement d'après le comportement dynamique de la particule qui décélère.Lorsque la particule est amenée au repos, toute son énergie cinétique se trouve emmagasinée sous forme d'énergie élastique de la fibre qui a fléchi. Ce mécanisme constitue un phénomène qui est analogue, pour les températures élevées et les grandes vitesses, à l'utilisation du caoutchouc dans les pompes actuelles à température plus basse. Le caoutchouc s'oppose à la détérioration, dans les courants de suspension, parce que l'énergie cinétique des particules incidentes est transformée en énergie de déformation du caoutchouc puis restituée lorsque le caoutchouc reprend sa position initiale. Les fibres 14 dépassant de la surface de la matière. composite jouent un rôle analogue. Leur avantage sur le caoutchouc est que le système composite peut être utilisé en pratique jusqu'à des températures de 1090OC et même plus, lorsque les différents constituants des matériaux sont choisis avec soin.En outre, on peut considérer que les matières composites peuvent être utilisées dans des courants de suspension dont la vitesse est supérieure à celle des courants que peut supporter le caoutchouc. L'optimisation en fonction de la résistance à l'usure des fibres nécessite une analyse dynamique du mécanisme. La figure 7 représente schématiquement un méca- nisme de protection thermique par couche limite. L'érosion à température élevée de la matière 16 du liant a lieu jusqu'à ce qu'une couche de fibres résistant à température élevée soit exposée. Les fibres piègent une partie du fluide à température élevée qui provoque l'érosion si bien que ce fluide peut atteindre l'équilibre thermique et peut alors former une barrière de protection thermique 28. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Procédé de protection de surfaces exposées à des milieux provoquant une érosion, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend l'enrobage de fibres (14) dans une matière de support (16) constituant un liant, l'érosion du liant par exposition à un fluide qui provoque une érosion, et le piégeage du fluide qui provoque une érosion entre les fibres et le liant afin qu'il forme une couche protectrice à régénération automatique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière de support formant le liant est choisie dans le groupe qui comprend l'aluminium, le titane, le bronze, le caoutchouc, les résines époxydes, l'acier et les céramiques. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la matière de support formant le liant (16) est l'aluminium. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres (14) sont choisies dans le groupe qui comprend le bore, la matière composite de bore et de silicium "Borsic", le tungstène, l'acier, une grille d'acier, A1203 et SiC. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les fibres sont formées de bore. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la densité volumique des fibres est comprise entre environ 20 et 70 %. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la densité volumique-des fibres est d'environ 40 %. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre des fibres est compris entre environ 0,05 et 0,5 min. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le diamètre des fibres est de l'ordre de 0,14 min. 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide qui peut provoquer une érosion contient en outre une matière particulaire.