Brevet FR2716971A1 — publié le 19950908

Dispositif d'essais accélérés d'érodabilité Le domaine de l'invention concerne les dispositifs d'essais d'érodabilité de matériaux de revêtement, en particulier de surface de structures immergées en mouvement, notamment de carènes de navires.Ces structures sont généralement revêtues de peintures ou de revêtements spéciaux antisalissures ou "antifouling" destinés à éviter la fixation et la prolifération de diverses espèces animales et végétales présentes dans l'eau de mer. Parmi les diverses familles de peintures antisalissures existantes, la famille des peintures dites autopolissables est reconnue comme la plus efficace.Ce phénomène d'autopolissage ou érosion contrôlée du matériau de revêtement sous l'action du liquide en mouvement présente la particularité de régulariser la rugosité des surfaces ainsi traitées et de contribuer à diminuer le coefficient de frottement hydrodynamique des structures en mouvement. On appelle vitesse d'érosion la rapidité avec laquelle le revêtement perd de l'épaisseur lors du phénomène d'autopolissage.Elle est exprimée en micromètres par unité de temps. On connait des dispositifs de mesure de la vitesse d'érosion dans de l'eau de mer, constitués par un cylindre rotatif pouvant tourner à très grande vitesse et à la périphérie duquel est fixé un folio de chlorure de polyvinyl amovible, sur lequel sont appliqués , sous la forme de bandes parallèles d'épaisseur de l'ordre de vingt microns, les revêtements à tester, l'ensemble cylindre et folio étant immergé dans de l'eau de mer. Les essais d'érodabilité réalisés avec ces dispositifs nécessitent cependant une très longue durée, supérieure à 2000 heures d'essai continu pour une perte d'épaisseur de revêtement de l'ordre de 5 microns seulement.La vitesse d'érosion est donc de l'ordre de 0,0025 microns/heure.De plus, ce type de dispositif n'est pas représentatif des phénomènes hydrodynamiques qui se produisent par frottement de l'eau de mer sur les surfaces de revêtements, les turbulences étant particulièrement violentes sur les zones proches de l'étrave, des hélices, des quilles de roulis et des cordons de soudure. Un inconvénient majeur de ces dispositifs réside dans l'imprécision des mesures, due à l'imprécision des épaisseurs initiales de revêtements à tester et au gonflement possible du revêtement sur le folio, en particulier de la peinture au contact de l'eau.Les contrôles d'épaisseur effectués sur les folios sont généralement du type destructif car ils nécessitent une perforation par un poinçon permettant une lecture directe par grossissement de la perte d'épaisseur.Les rugosités ainsi créées par ces perforations sont susceptibles de perturber le mécanisme et la régularité de l'érosion. On connait aussi des dispositifs de mesure de la vitesse d'érosion consistant à fixer sur la paroi de la carène d'un navire dont les paramètres de navigation (vitesse, zones de navigation, distances parcourues, ...) sont connus, un ou plusieurs châssis portant des éprouvettes revêtues d'un ou plusieurs matériaux de revêtement à évaluer.Ces éprouvettes subissent les mêmes contraintes hydrodynamiques que la carène du navire qui les porte. Ce type de dispositif d'évaluation présente de nombreux inconvénients.La durée de l'essai reste importante, l'érosion se produisant au rythme du navire: la vitesse moyenne d'érosion d'une peinture autopolissable sur une carène de navire de surface navigant 4000 heures par an est de l'ordre de 60 microns de feuil sec par an , soit environ 0,015 micron/heure mais une durée de deux années d'essai est parfois nécessaire pour obtenir des résultats fiables.De plus, l'utilisation de ce dispositif est coûteuse et contraignante car elle nécessite de faire appel à une équipe de plongeurs professionnels pour la récupération des éprouvettes devant faire l'objet d'examens périodiques à bord.En oûtre, les risques de rupture accidentelle des châssis entrainant la perte irrémédiable des éprouvettes et de perturbation des essais par des salissures inévitables en eau de mer naturelle ne sont pas négligeables. La présente invention a pour but de pallier les inconvénients des dispositifs connus. Un premier objectif de l'invention est de réaliser une érosion accélérée régulière et homogène de toute la surface du revêtement à tester, en simulant à la surface du revêtement l'action d'un flux de liquide et les turbulences s'exerçant sur des surfaces navigantes réelles. Un autre objectif de l'invention est de fournir des mesures précises, fiables et reproductibles, avec contrôle d'épaisseur non destructif. L'invention a donc pour objet un dispositif d'essais accélérés d'érodabilité de matériaux de revêtement en mouvement dans un liquide contenu dans une cuve, dispositif entraîné par un moteur programmable en vitesses de rotation et en cycles marche/arrêt muni d'au moins un axe d'entraînement, caractérisé en ce qu'il comprend, fixés sur l'axe d'entraînement, un rotor en forme de cylindre plein percé d'un taraudage central pour fixation par vissage sur l'axe d'entraînement, le rotor étant couvert par au moins un revêtement à tester, et une turbine coaxiale par rapport au rotor, venant se placer au dessus du rotor et en forme de cylindre creux sans base de diamètre supérieur à celui du rotor et dont la surface supérieure est percée d'un orifice central pour le passage de l'axe d'entraînement, cette turbine étant munie de plusieurs ouvertures et de plusieurs ailettes pour créer à la surface du ou des revêtement(s) à tester un fort flux hydrodynamique. Un tel dispositif crée à la surface du revêtement à tester porté par le cylindre du rotor un flux forcé et régulier de liquide provoquant ainsi une action de frottement et d'érosion régulière et homogène sur le matériau de revêtement. Avantageusement, les ouvertures de la turbine sont des rectangles dont la longueur est parallèle à la hauteur du cylindre de la turbine. De préférence, la hauteur des ouvertures de la turbine est égale à la hauteur du cylindre du rotor. Avantageusement, les ailettes sont orientées selon un angle inférieur à 90 degrés par rapport à la normale à la surface du cylindre. De préférence, les ailettes sont orientées selon un angle de 45 degrés par rapport à la normale à la surface du cylindre. Avantageusement, le dispositif de l'invention comporte de plus un moyen de programmation et de régulation de la température. L'érosion étant fonction de la température, il est important de maintenir la température à une valeur définie. De préférence, la cuve est mise sous atmosphère d'un gaz inerte, afin d'éviter des fluctuations de pH. Le dispositif de l'invention permet de réaliser, oûtre des essais d'érosion, des essais de résistance à l'abrasion de matériaux de revêtement. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel, donné à titre illustratif et non limitatif, et des figures annexées dans lesquelles -la figure 1 est un schéma d'ensemble du dispositif d'essais accélérés d'érodabilité de matériaux de revêtement selon l'invention; -la figure 2 représente l'ensemble turbine-rotor; -la figure 3 est une vue de dessus de la turbine; -la figure 4 représente l'évolution de la perte d'épaisseur en fonction du temps pour deux peintures autopolissables à vitesse d'érosion modérée en eau de mer; -la figure 5 représente l'évolution de la perte d'épaisseur en fonction du temps pour deux peintures autopolissables à vitesse d'érosion rapide en eau de mer. La figure 1 représente l'ensemble du dispositif d'essais accélérés d'érodabilité de matériaux de revêtement selon l'invention, comprenant un moteur d'entraînement 1 à fort couple avec un axe d'entraînement 7, un ensemble turbine-rotor 2 fixé sur l'axe d'entraînement 7 du moteur 1, fileté en une partie 12 visible sur la figure 2, une cuve 3 contenant un liquide, un programmateur et régulateur de température 4. Le moteur d'entraînement 1 du dispositif selon l'invention est programmable en vitesses de rotation jusqu'à 625 tours/mn correspondant à une vitesse linéaire de 2,86 noeuds et en cycles marche/arrêt.Ce moteur est monté sur un châssis mécano-soudé avec embase fixée au sol et équipé d'un mécanisme de "monte et baisse" actionnable manuellement.Il peut être muni de plusieurs axes d'entraînement portant des ensembles turbine-rotor. La cuve d'essai 3 est constituée dans un matériau tel que le polyméthacrylate de méthyle, le chlorure de polyvinyl, le verre, un métal inoxydable ou tout autre matériau.Elle est équipée d'un couvercle fixé par des glissières latérales et percé d'un orifice pour le passage de l'axe d'entraînement 7 du moteur 1. La figure 2 représente l'ensemble turbine-rotor 2, comprenant un rotor en forme de cylindre plein percé d'un taraudage central 11 pour fixation par vissage sur le filetage 12 de l'axe 7 d'entraînement du moteur, une turbine 6 coaxiale par rapport au rotor 5, en forme de cylindre creux sans base de diamètre supérieur à celui du rotor 5 et dont la surface supérieure 13 est percée d'un orifice central 14 pour le passage de l'axe d'entraînement 7, la turbine 6 venant se placer au dessus du rotor 5 grâce à une entretoise 8. Les diamètres du rotor 5 et de la turbine 6 sont tels qu'il existe un espace suffisant entre le rotor 5 et la turbine 6 pour l'action du flux de liquide à la surface du ou des revêtements portés par le rotor. La turbine 6 est percée à intervalles réguliers d'ouvertures rectangulaires 10 de longueur parallèle à la hauteur du cylindre de la turbine sur toute la surface cylindrique et elle est munie d'ailettes 9, pouvant être en nombre égal à celui des ouvertures. La figure 3 représente une vue de dessus de la turbine 6.Les ailettes 9 sont telles qu'elles sont orientées par rapport à la normale à la surface du cylindre d'un angle inférieur à 90 degrés, de préférence égal à 45 degrés. Cette architecture permet ainsi au volume de liquide capté par les ailettes, de venir exercer un flux régulier rapide tangentiellement à la surface du cylindre d'essai, provoquant une action de frottement et d'érosion homogène sur le film de peinture ou de revêtement. Simultanément, sous l'effet de la surpression locale, le flux de liquide est dirigé dans un mouvement descendant, seule possibilité de passage du volume d'eau capté par les ailettes. Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, la turbine 6 est en plexiglass et le rotor 5 en inox. Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, les ouvertures 10 de la turbine 6 ont la même hauteur que le cylindre du rotor 5. Le cylindre d'essai du rotor 5 est positionné au centre de la cuve 3, de telle manière qu'il soit immergé constamment au cours de l'essai.La profondeur d'immersion doit être suffisante pour que, malgré la violente agitation du milieu, le rotor ne soit à aucun moment hors du liquide. Le volume de liquide doit être suffisant pour assurer à l'ensemble rotor-turbine 2 une immersion constante pendant 1 'essai.Le niveau peut être ajusté pour compenser l'évaporation. Dans le cas d'une érosion par l'eau de mer, le pH est stabilisé à une valeur de 8,2-8,3, proche de celui de l'eau de mer naturelle.Pour éviter une modification de pH par absorption du gaz carbonique ambiant et carbonatation, il est préférable de conduire l'essai sous atmosphère d'un gaz inerte, tel que l'azote. Comme le pH, la température joue un rôle important dans la régulation de l'érosion.Plus la température du liquide est élevée, plus le caractère autopolissable des peintures est marqué.Il est donc impératif de maintenir la température à une valeur définie par un programmateur-régulateur de température;cette valeur est avantageusement fixée à 40"C(+/- 0,1 C). La surface du cylindre d'essai du rotor est soigneusement abrasée par sablage léger puis revêtue d'une couche mince de primaire d'accrochage. Les revêtements à tester sont appliqués sur la surface externe du cylindre du rotor sous forme de peinture que l'on projette ou de revêtement spécial que l'on colle ou fait adhérer à la surface d' essai.Cette surface peut être divisée en autant de secteurs que l'on veut tester de revêtements simultanément.Dans le cas d'une pluralité de secteurs de revêtements, pour appliquer une peinture sur un secteur donné, il convient de protéger les autres secteurs.L'épaisseur initiale de revêtement déposée est comprise entre 100 et 400 microns.Après séchage, elle fait l'objet d'un relevé de mesures en plusieurs points du cylindre du rotor grâce à un gabarit de mesures constitué par un folio en chlorure de polyvinyl percé de trous, par exemple au nombre de vingt six, ayant le diamètre de la sonde d'un appareil de mesure par induction magnétique ou courants de Foucault.Pour chaque point, on réalise une dizaine de mesures non destructives avec un tel appareil afin d'établir une valeur moyenne par point.La valeur de l'épaisseur initiale de revêtement est elle-même obtenue par moyenne des valeurs obtenues pour tous les points de mesure du revêtement considéré, le nombre de points étant d'autant plus important que le nombre de secteurs de revêtement est petit. Pendant l'essai d'érosion, on réalise périodiquement des mesures d'épaisseur résiduelle pour les mêmes points sélectionnés lors de la mesure de l'épaisseur initiale selon le même principe et on calcule une valeur moyenne d'épaisseur résiduelle.On en déduit la perte d'épaisseur. Le dispositif selon l'invention permet de réaliser des mesures non destructives.De plus, en fin d'essai, le rotor est réutilisable pour des essais ultérieurs par simple décapage chimique de la surface peinte ou par dépose du ou des revêtements de la surface du rotor. La figure 4 représente la perte d'épaisseur en microns en fonction du temps en heures, obtenue avec un dispositif selon l'invention pour une première série de peintures autopolissables à vitesse d'érosion modérée en eau de mer.Les courbes ont une allure linéaire. L'eau utilisée est de l'eau de mer synthétique.Il est possible d'utiliser une eau de mer naturelle mais il est nécessaire de la désinfecter. Les mesures ont été réalisées toutes les 48 heures. Pour une première peinture autopolissable type acrylique pour oeuvre vive de navires de combat à base de résine cutinox 1000 commercialisée par la société ACIMA (Suisse), repérée par l'appellation M152/1, la perte d'épaisseur est de 150 microns pour 600 heures d'essai. Pour une deuxième peinture autopolissable type acrylique pour oeuvre vive de navires de combat à base de résine cutinox 1120 commercialisée par la société ACIMA (Suisse), repérée par l'appellation M152/2, la perte d'épaisseur est de 100 microns pour 600 heures d'essai. L'érodabilité de la première peinture M152/1 est supérieure à celle de la deuxième peinture M152/2 d'un tiers.L'essai réalisé avec le dispositif de l'invention a permis de retrouver le rapport d'érodabilité de ces peintures connu dans l'état de la technique avec un gain de temps considérable.Une durée minimale d'une année aurait été nécessaire pour obtenir le même degré d'érosion sur une peinture autopolissable portée par un navire de surface. La figure 5 représente la perte d'épaisseur en microns en fonction du temps en heures, obtenue avec un dispositif selon l'invention pour une deuxième série de peintures à vitesse d'érosion rapide en eau de mer.Les conditions expérimentales sont les mêmes que celles mentionnées plus haut. Les degrés d'érosion sont de l'ordre de 100 microns pour ces peintures pour une durée d'essai de 200 heures seulement. Le dispositif selon l'invention rend également possible la réalisation de tests de résistance à l'abrasion de matériaux de revêtement en mouvement dans un liquide abrasif ou en contact prolongé avec un flux de fluide abrasif, par exemple pour des applications relatives à des corps de pompe et à des canalisations.Dans le cas de tests de résistance à l'abrasion, la turbine est préférentiellement en inox. REVENDICATIONS l.Dispositif d'essais accélérés d'érodabilité de matériaux de revêtement en mouvement dans un liquide contenu dans une cuve, dispositif entraîné par un moteur programmable en vitesses de rotation et en cycles marche/arrêt muni d'au moins un axe d'entraînement, caractérisé en ce qu'il comprend, fixés sur l'axe d'entraînement, un rotor (5) en forme de cylindre plein percé d'un taraudage central (11) pour fixation par vissage sur l'axe d'entraînement (7,12), le rotor étant couvert par au moins un revêtement à tester, et une turbine (6) coaxiale par rapport au rotor, venant se placer au dessus du rotor et en forme de cylindre creux sans base de diamètre supérieur à celui du rotor et dont la surface supérieure (13) est percée d'un orifice central (14) pour le passage de l'axe d'entraînement (7), cette turbine étant munie de plusieurs ouvertures (10) et de plusieurs ailettes (9) pour créer à la surface du ou des revêtement(s) à tester un fort flux hydrodynamique. 2.Dispositif d'essais accélérés d'érodabilité de matériaux de revêtement en mouvement dans un liquide contenu dans une cuve selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ouvertures (10) de la turbine (6) sont des rectangles dont la longueur est parallèle à la hauteur du cylindre de turbine (6). 3.Dispositif d'essais accélérés d'érodabilité de matériaux de revêtement en mouvement dans un liquide contenu dans une cuve selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la hauteur des ouvertures (10) de la turbine (6) est égale à la hauteur du cylindre du rotor (5). 4.Dispositif d'essais accélérés d'érodabilité de matériaux de revêtement en mouvement dans un liquide contenu dans une cuve selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les ailettes (9) de la turbine (6) sont orientées selon un angle inférieur à 90 degrés par rapport à la normale à la surface du cylindre de turbine(6). 5.Dispositif d'essais accélérés d'érodabilité de matériaux de revêtement en mouvement dans un liquide contenu dans une cuve selon la revendication 4, caractérisé en ce que les ailettes (9) de la turbine (6) sont orientées selon un angle de 45 degrés par rapport à la normale à la surface du cylindre de turbine (6). 6.Dispositif d'essais accélérés d'érodabilité de matériaux de revêtement en mouvement dans un liquide contenu dans une cuve selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de programmation et de régulation de la température (4). 7.Dispositif d'essais accélérés d'érodabilité de matériaux de revêtement en mouvement dans un liquide contenu dans une cuve selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la cuve (3) est mise sous atmosphère d'un gaz inerte. 8.Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, à des essais de résistance à l'abrasion de matériaux de revêtement.