Brevet FR2961820A1 — publié le 20111230

PROCEDE DE PROTECTION D'UN COMPOSANT DE MACHINE HYDRAULIQUE CONTRE L'EROSION, COMPOSANT FABRIQUE GRACE A CE PROCEDE ET INSTALLATION COMPRENANT UN TEL COMPOSANT L'invention a trait à un procédé de fabrication d'un composant de machine hydraulique dont au moins une surface est recouverte d'une couche de revêtement de protection contre l'érosion. Il est connu que les surfaces d'un composant de machine hydraulique destinées à être mouillées par un écoulement forcé traversant la machine doivent être protégées contre l'abrasion due aux particules solides présentes dans l'écoulement et, de façon générale, contre toute forme d'érosion. Certains matériaux composites résistant à l'usure sont destinés à être apposés, par exemple, sur les pales d'une turbine hydraulique. Les propriétés de résistance à l'érosion obtenues grâce à ces matériaux dépendent de leur mode d'application. Pour appliquer un tel matériau, il est connu de sabler la surface d'un composant hydraulique, par exemple une aube de roue Francis ou une directrice, puis d'appliquer, au pistolet, un primaire, avant d'appliquer les deux composants du matériau composite, également au pistolet, avec une épaisseur supérieure à 1 mm. Ceci constitue une couche de protection contre l'érosion. Le temps de durcissage d'un tel matériau composite ainsi appliqué est de l'ordre de trois semaines, ce qui impose d'immobiliser le composant pendant cette durée. En cas de réhabilitation d'une installation de conversion d'énergie existante, ceci induit un arrêt de production significatif. En outre, lorsque le matériau constitutif de cette couche de protection est appliqué sur une surface gauche, un risque de coulure important existe, du fait de l'épaisseur relativement importante de la couche de protection. A tout le moins, un effet de peau d'orange est observé. Dans le cas où le matériau composite serait appliqué en plusieurs couches successives d'épaisseurs relativement faibles, par exemple de l'ordre de 400 micromètres (µm), les risques de coulures seraient atténués mais l'aspect de peau d'orange demeurerait. En outre, une application du matériau en plusieurs couches induirait une forte dégradation de l'adhérence de ce matériau, cette adhérence étant dépendante, entre autres, du temps d'application entre deux couches successives de matériau. Il en résulterait un risque de décollement localisé d'une partie de la couche de protection. Dans le cas d'un composant de dimensions relativement importantes, telle qu'une roue Francis, on procède généralement par secteurs pour appliquer la couche de matériau de protection. Lors du sablage d'un secteur, les autres secteurs déjà recouverts d'une couche de revêtement de protection doivent être protégés contre les projections de sable. Ceci s'avère délicat à mettre en oeuvre et consommateur de temps. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant un nouveau procédé de fabrication d'un composant de machine hydraulique qui est plus simple à mettre en oeuvre et procure un meilleur état de surface que les procédés connus. A cet effet, l'invention concerne un procédé de protection contre l'érosion d'un composant de machine hydraulique dont au moins une surface est recouverte d'une couche de revêtement de protection. Ce procédé comprend au moins des étapes consistant à : - a) préparer au moins une plaque de matériau synthétique polymérisé, - b) appliquer une couche d'adhésif au moins sur une face de la plaque - c) mettre en place la plaque sur la surface du composant à recouvrir avec la couche de revêtement. Grâce à l'invention, la fabrication de la couche de revêtement de protection qui équipe l'une des surfaces d'un composant de machine hydraulique a lieu en plusieurs étapes successives, dont l'étape a) peut intervenir plusieurs semaines avant une action directe sur le composant. Cette étape préalable peut être réalisée dans un atelier dédié, dans des conditions bien adaptées, ce qui permet d'obtenir un état de surface tout-à-fait satisfaisant de la face externe de la couche de revêtement destinée à interagir avec l'écoulement forcé traversant la machine hydraulique. Un état de surface de type « miroir » peut être obtenu, car la plaque de matériau synthétique polymérisé peut être préparée à plat, ce qui évite les risques de coulures. Au sens de l'invention, l'érosion couvre l'abrasion et l'usure par cavitation et/ou corrosion. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, un tel procédé peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises dans toutes combinaison techniquement admissible : - Lors de l'étape a), la plaque est réalisée à partir d'une base pré-polymère, notamment de type isocyanate copolymerisé partiellement avec au moins un polyol et/ou une amine, et d'un durcisseur, notamment de type isocyanate. La base pré-polymère comprend avantageusement au moins un agent fluidifiant ou dispersant et/ou une charge. - Lors de l'étape a), la plaque est réalisée avec une épaisseur comprise entre 0,5 et 3 mm, de préférence entre 1 et 2 mm. - Le procédé comprend une étape d), intermédiaire entre les étapes a) et b), de stockage de la plaque pour finalisation de la polymérisation. - Le procédé comprend une étape e), préalable à l'étape c), d'application d'une couche de primaire sur la surface du composant à recouvrir avec la couche de revêtement de protection contre l'érosion, alors que, lors de l'étape c), la plaque est mise en place en mettant en contact la couche d'adhésif et la couche de primaire. Dans ce cas, on peut prévoir une étape f), intermédiaire entre l'étape b) et l'étape c), de murissement des couches d'adhésif et de primaire. Avantageusement, lors de l'étape e), le primaire est appliqué avec une épaisseur comprise entre 20 et 100 µm, de préférence de l'ordre de 50 µm. - Lors de l'étape b), l'adhésif est appliqué avec une épaisseur comprise entre 20 et 150 µm, de préférence entre 50 et 70 µm. - L'adhésif appliqué lors de l'étape b) est de type polyuréthane ou à base de polyuréthane, de type polyester ou à base de polyester, ou de type cyanoacrylate ou à base de cyanoacrylate. - Plusieurs plaques sont préparées lors de l'étape a) et, lors de l'étape c), ces plaques enduites d'adhésif sont posées bord à bord sur la surface du composant, éventuellement recouverte de la couche de primaire. L'invention concerne également un composant de machine hydraulique dont certaines au moins des surfaces destinées à être mouillées par un écoulement forcé d'eau traversant la machine sont recouvertes d'une couche de revêtement de protection en plaque(s) préparées par polymérisation avant leur mise en place sur ces surfaces, cette couche de protection étant de préférence apposée selon un procédé tel que mentionné ci-dessus. Enfin, l'invention concerne une installation de conversion d'énergie hydraulique en énergie électrique ou mécanique, ou réciproquement, cette installation comprenant une machine hydraulique, une conduite d'amenée d'eau et au moins un composant dont au moins une surface est léchée par un écoulement d'eau traversant l'installation. Cette installation est caractérisée en ce que le composant est tel que mentionné ci-dessus. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un mode de réalisation d'une installation et d'un procédé de fabrication conformes à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une coupe axiale de principe d'une installation conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue à plus grande échelle correspondant à la partie de la roue de l'installation de la figure 1 formant le détail Il sur cette figure, lors d'une première étape d'un procédé de fabrication, - la figure 3 est une vue analogue à la figure 2, quoique à échelle plus petite, lors d'une troisième étape suivante du procédé, - la figure 4 est une coupe, partielle et à plus grande échelle, selon le plan P4 à la figure 3, - la figure 5 est une vue analogue à la figure 4 lors d'une étape du procédé postérieure à celle de la figure 3, - la figure 6 est une vue en perspective d'une directrice de l'installation de la figure 1 lors d'une première étape de son procédé de fabrication et, - la figure 7 est une vue en perspective analogue à la figure 6 lors d'une étape subséquente de son procédé de fabrication. L'installation 1 représentée à la figure 1 comprend une turbine Francis 2 dont la roue 3 est alimentée à partir d'une bâche 4 dans laquelle débouche une conduite forcée 5. La turbine 2 comprend également un arbre 6 sur lequel est montée la roue 3 et qui tourne avec elle autour d'un axe vertical X6, cet axe étant également un axe longitudinal de l'arbre 6. L'arbre 6 est solidaire en rotation d'un autre arbre 7 formant un organe d'entraînement d'un alternateur 8. Ainsi, l'installation 1 convertit l'énergie hydraulique en énergie électrique. En variante, l'alternateur 8 peut être remplacé par un dispositif mécanique, auquel cas l'installation 1 convertit l'énergie hydraulique en énergie mécanique. Entre la bâche 4 et la roue 3 est disposée une série d'avant-directrices 9 et de directrices 11 dont la fonction est de guider un écoulement E provenant de la conduite 5 et de la bâche 4 et destiné à traverser la roue 3, en direction d'un conduit d'aspiration 12. La roue 3 comprend des aubes 31 qui s'étendent entre un plafond 32 et une ceinture 33. Chaque aube 31 s'étend entre un bord d'attaque 312 et un bord de fuite 314 avec deux surfaces latérales qui s'étendent entre le bord d'attaque et le bord de fuite. L'une de ces surfaces est visible, avec la référence 316, sur les figures 2 à 5. La surface 316 et la surface opposée, qui s'étend de l'autre côté de l'aube 31 par rapport à celui représenté sur les figures 2 à 5, sont léchées par l'écoulement E lorsque l'installation 1 fonctionne. En pratique, l'écoulement E s'écoule le long des surfaces 316 et équivalentes avec une vitesse supérieure ou égale à 20 mètre par seconde (m/s). Pour éviter que cet écoulement n'use prématurément la surface 316 et la surface opposée de l'aube 31, une couche 50 de revêtement de protection contre l'érosion est apposée sur ces surfaces, 316 et analogue. Pour ce faire, lorsque la roue 1 est réalisée, on procède au sablage des aubes 31. On applique alors une première couche 100 de matériau dit « primaire » sur la surface 316, cette couche 100 de primaire ayant pour effet de faciliter l'accrochage, vis-à-vis de l'aube 31, d'une autre couche apposée ultérieurement sur la couche 100. A la figure 2, la couche 100 est représentée en cours d'application, ce qui laisse apparaître une partie de la surface 316 au voisinage du bord d'attaque 312 et du plafond 32. Le primaire utilisé à cette occasion est un mélange d'isocyanate et de polyol. La couche 100 de primaire est appliquée au pistolet avec une épaisseur comprise entre 20 et 100 µm, de préférence de l'ordre de 50 µm. Comme la géométrie de la roue 3 est connue dès sa conception, la fabrication de plaques de matériau synthétique polymérisé est prévue à l'avance, en nombre suffisant et avec des surfaces unitaires suffisantes pour recouvrir l'ensemble des surfaces latérales 316 et équivalentes des aubes 31. Quatre de ces plaques sont représentées à la figure 4 avec la référence 300 revêtue de 200, avant leur mise en place sur la surface 316 de l'aube 31, revêtue de la couche 100. Chaque plaque 300 est préfabriquée en faisant polymériser une base de pré-polymère, qui peut être de type isocyanate copolymérisé partiellement avec au moins un polyol ou/et une amine, avec un durcisseur de type isocyanate. Avantageusement, un ou plusieurs agents fluidifiant et/ou dispersant sont intégrés à la base à pré-polymère, de même qu'une ou plusieurs charges, par exemple une charge en céramique, de type nitrure de titane, nano-poudre ou autre. Un ou plusieurs catalyseurs peuvent également être utilisés lors de la fabrication des plaques 300. Une fois polymérisé, le matériau constitutif des plaques 300 est de type polyuréthane. Les plaques 300 peuvent être préparées plusieurs semaines avant leur mise en place sur les surfaces latérales 316 des aubes 31. En pratique, les plaques 300 sont réalisées avec une épaisseur e3oo comprise entre 0,5 et 3 mm. Des résultats tout-à-fait satisfaisants sont anticipés avec des plaques dont l'épaisseur est comprise entre 1 et 2 mm. Les matériaux constitutifs des plaques 300, à savoir la base et le durcisseur, sont mélangés selon un rapport en poids environ 2/3 pour la base 1/3 pour le durcisseur. Ils sont ensuite versés dans un moule disposé à plat. On obtient alors une réaction de polymérisation qui conduit à la réalisation des plaques 300. On laisse alors reposer ces plaques en les stockant pendant plusieurs semaines, de préférence pendant au moins deux mois, afin d'obtenir une prise complète dans l'épaisseur des plaques et la fin de la réaction de polymérisation. Ainsi, la fabrication des plaques 300 est anticipée par rapport à la fabrication des parties métalliques de la roue 3. L'étape de préparation et l'étape de stockage des plaques 300 peuvent avoir lieu à plat, dans un environnement protégé, de sorte que la face 302 de chaque plaque 300 qui est destinée à être orientée vers l'écoulement E une fois la plaque 300 montée sur la roue 3 peut avoir un état de surface bien maîtrisé, notamment de type lisse ou « miroir » . Après l'étape de préparation et de stockage des plaques 300, chacune de ces plaques peut être manipulée à la main, sans risque d'être polluée ou de voir ses propriétés mécaniques et son état de surface endommagés par des poussières environnantes. Au terme de leur préparation et de leur prise complète, les plaques 300 présentent une dureté shore de 72 Shore, avec une capacité d'allongement élastique d'environ 400%. Leur contrainte à la rupture, selon la norme NF T 46-002, est de 28 mégapascals (MPa), alors que leur résistance à la déchirure, selon la norme NF T 46-007, est de 35 newtons (N). Ainsi, pour la fabrication de la roue 3, on dispose d'un nombre de plaques 300 suffisant, avec des dimensions et des caractéristiques mécaniques adaptées. Par exemple, chaque plaque 300 peut avoir une longueur de l'ordre de 2 mètres (m) et une largeur de l'ordre de 500 mm. Lorsque les plaques 300 destinées à recouvrir la surface 316 sont identifiées, la face 304 de chaque plaque 300 destinée à être tournée vers la surface 316 est revêtue au pistolet d'une couche 200 de matériau adhésif. Ce matériau adhésif est avantageusement un polyuréthane. Il peut toutefois s'agir d'un autre matériau tel que du polyester, du cyanoacrylate ou d'un matériau à base de polyuréthane, de polyester ou de cyanoacrylate. Ici, le terme « cyanoacrylate » est utilisé dans son acception habituelle et désigne le 2-cyanoacrylate de méthyle. La couche 200 d'adhésif est appliquée avec une épaisseur e2oo comprise entre 20 et 150 µm, de préférence entre 50 et 70 µm. A la figure 4, l'épaisseur e2oo est exagérée pour faciliter le repérage de la couche d'adhésif 200. En pratique, la couche d'adhésif 200 est également appliquée sur certains ou tous les bords ou tranches 306 des plaques 300. Une fois l'étape d'application de la couche d'adhésif 200 réalisée, on attend environ une heure pour permettre le murissement de l'adhésif et du primaire, avant de mettre en place chaque plaque 300 revêtue de la couche d'adhésif 200 sur la surface 316 ou équivalente d'une aube 31 revêtue de la couche 100. On pousse alors la face 304 de chaque couche en direction de la surface 316, ce qui amène en contact les couches 100 et 200. En fonction de la géométrie des surfaces 316, une ou plusieurs des plaques 300 peut être découpée pour suivre l'arête 322 de jonction entre l'aube 31 et le plafond 32 ou l'arête 332 de jonction entre l'aube 31 et la ceinture 33. La couche 200 d'adhésif est appliquée avec une épaisseur e2oo comprise entre 20 et 150 µm, de préférence entre 50 et 70 µm. Le choix des matériaux constitutifs des couches de primaire 100 et d'adhésif 200 assure que la couche 200 adhère fermement à la couche 100, ce qui garantit le maintient en position de chaque plaque 300 sur l'aube 31. A la figure 3, les flèches F, montrent le mouvement de mise en place des plaques 300 sur la surface 316, alors que les lignes pointillées L300 délimitant la position prévue pour les différentes plaques 300. L'utilisation de ces lignes pointillées est facultative. Elles facilitent la pose des plaques 300 en servant de repère à l'opérateur. Au terme de l'étape de fabrication de la partie de la roue 3 correspondant à l'aube 31 représentée sur les figures 2 à 5, quatre plaques 300 sont en place sur la surface 316, en étant disposées bord à bord, comme représenté à la figure 5. Ceci est possible car les plaques 300 sont fabriquées de la même façon, avec une épaisseur bien maîtrisée, de sorte que leurs surfaces respectives tournées vers l'écoulement E peuvent être affleurantes les unes avec les autres. L'action d'encollage des bords 306 des plaques 300 couplée à la très grande élasticité des plaques favorise la continuité des leurs surfaces 302 respectives, sans ressaut. Les plaques 300 constituent ensemble la couche 50 de revêtement de protection de la surface 316 contre l'érosion. Compte tenu de l'étape d'attente pour murissement de l'adhésif et du primaire mentionné ci-dessus, avant mise en place des plaques 300, la viscosité des couches 100 et 200 est suffisante pour éviter un glissement des plaques 300 vis-à-vis de l'aube 31 une fois les plaques 300 garnies de la couche d'adhésif 200 mises en place sur la couche 100. Une fois les plaques 300 en place, comme représenté à la figure 5, il suffit d'attendre entre 48 et 96 heures (h) avant de mettre la roue 3 en service. Comme représenté aux figures 6 et 7, une directrice 11 peut également être équipée d'une couche 50 de revêtement de protection contre l'érosion formée de plaques 400 en matériau synthétique polymérisé. La surface extérieure 116 de la directrice 11 est préalablement revêtue d'une couche de primaire 100, avant que les plaques 400 préalablement enduites d'une couche d'adhésif 200, sur une face 404 destinée à être tournée vers la directrice, ne soient apposées sur la couche 100, après murissement de ces couches. On note à la figure 7 que les plaques 400 s'étendent sur la surface 102 de la directrice 10 de façon à recouvrir son bord d'attaque 112. On note également sur cette figure que les plaques 400 ne recouvrent pas complètement la surface 116. Il est toutefois possible de prévoir un recouvrement complet de cette surface par des plaques 400. A la figure 6, la couche 200 est représentée en cours d'application, ce qui laisse apparaître la face 404 de l'une des plaques 400. Comme précédemment, la couche d'adhésif 200 peut également être appliquée sur certains bords 406 des plaques 400, notamment le bord supérieur de la plaque 400 inférieure et/ou le bord inférieur de la plaque 400 supérieure. Les plaques 400 constituent ensemble la couche 50 de revêtement de protection de la surface 116 contre l'érosion. Les plaques 400 sont fabriquées de la même façon que les plaques 300 et présentent sensiblement les mêmes propriétés. Compte tenu de leur épaisseur et de leur matériau constitutif, les plaques 300 et 400 sont suffisamment souples pour s'adapter à la géométrie gauche des surfaces 116 et 316 qui sont gauches. D'autres parties de l'installation 1 peuvent être protégées par une couche de revêtement de protection en plaques mise en oeuvre conformément à l'invention. En particulier, les surfaces du plafond 32 et de la ceinture 33 qui sont orientées vers les aubes 31 peuvent être équipées de plaques analogues aux plaques 300. Les avant-directrices 9 peuvent également être équipées de plaques du type des plaques 400 représentées à la figure 7. L'invention est particulièrement avantageuse dans le cas de la réhabilitation d'une installation 1 existante. En effet, dans la mesure où la géométrie de la roue 3, des avant-directrices 9 ou des directrices 10 est connue avant intervention sur site, des plaques 300, 400 et équivalentes peuvent être préparées en nombre adapté, dans les deux mois précédant l'arrêt de l'installation. Lors de l'arrêt de l'installation, l'ensemble de la roue 3 peut être sablé et les couches de primaire 100 et d'adhésif 200 peuvent être appliquées avant une mise en place rapide des plaques 300 et/ou 400 sur les surfaces à protéger contre l'érosion. Dans la mesure où l'intervention sur la roue 3 est relativement rapide, il n'y a pas de risque d'oxydation du métal et le sablage ou le meulage peuvent avoir lieu sur une grande surface. Comme les plaques 300 ou 400 ont subi une étape de stockage de plusieurs semaines, elles peuvent être qualifiées de « inertes », en ce sens que la réaction de polymérisation est terminée, de sorte qu'elles ne risquent pas d'être endommagées par de la poussière lors de leur mise en place sur la roue 3 ou les directrices 11 et lors du séchage de la couche d'adhésif 200 avant mise en eau de l'installation 1. Les caractéristiques techniques des modes de réalisation et variantes mentionnées ci-dessus peuvent être combinées ensemble. Bien que très avantageuse, l'utilisation d'une couche de primaire 100 n'est pas obligatoire et l'on peut envisager d'appliquer la couche d'adhésif 200 directement sur la surface 116, 316 ou équivalente d'un composant 3, 11 ou autre. Sur les figures, les plaques 300 et 400 sont représentées avec des bords à champ droit. En variante, ces bords peuvent être biseautés. Dans ce cas, le bord d'une plaque peut recouvrir le bord d'une autre plaque adjacente. La couche d'adhésif s'étend alors entre ces deux bords. L'invention s'applique à tout composant de machine hydraulique, que ce composant soit mobile ou fixe. L'invention peut être utilisée dans une turbine de tout type connu, tel que Francis, Kaplan, bulbe, etc..., dans une pompe ou dans une turbine-pompe. Lorsque l'invention est utilisée dans une pompe ou une turbine pompe, l'installation convertit l'énergie mécanique ou électrique en énergie hydraulique.15 REVENDICATIONS1.- Procédé de protection contre l'érosion d'un composant (3, 11) de machine hydraulique (2) dont au moins une surface (116, 316) est recouverte d'une couche (50) de revêtement de protection, caractérisé en ce qu'il comprend au moins des étapes consistant à : - a) préparer au moins une plaque (300, 400) de matériau synthétique polymérisé, - b) appliquer une couche d'adhésif (200) au moins sur une face (304, 404) de la plaque (300,400), - c) mettre en place (F,) la plaque (300, 400) sur la surface (116, 316) du composant à recouvrir avec la couche de revêtement. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lors de l'étape a) la plaque (300, 400) est réalisée à partir d'une base prépolymère, notamment de type isocyanate copolymérisé partiellement avec au moins un polyol et/ou une amine, et d'un durcisseur, notamment de type isocyanate. 3.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lors de l'étape a), la plaque (300, 400) est réalisée avec une épaisseur (e3oo) comprise entre 0,5 et 3 mm, de préférence entre 1 et 2 mm. 4.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d) intermédiaire entre les étapes a) et b), de stockage de la plaque pour finalisation de la polymérisation. 5.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape e), préalable à l'étape c), d'application d'une couche (100) de primaire sur la surface (116, 316) du composant (3, 11) à recouvrir avec la couche (50) de revêtement de protection contre l'érosion et en ce que lors de l'étape c) la plaque (300, 400) est mise en place en mettant en contact la couche d'adhésif (200) et la couche de primaire (100). 6.- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, lors de l'étape e), le primaire est appliqué avec une épaisseur comprise entre 20 et 100 µm, de préférence de l'ordre de 50 µm. 7.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lors de l'étape b), l'adhésif est appliqué avec une épaisseur (e2oo) comprise entre 20 et 150 pm, de préférence entre 50 et 70 µm. 8.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'adhésif appliqué lors de l'étape b) est de type polyuréthane ou à base de polyuréthane,de type polyester ou à base de polyester, ou de type cyanoacrylate ou à base de cyanoacrylate. 9.- Composant (3, 11) de machine hydraulique (2) caractérisé en ce que certaines au moins des surfaces (116, 316) de ce composant destinées à être mouillées par un écoulement forcé d'eau (E) traversant la machine, sont recouvertes d'une couche (50) de revêtement de protection en plaque(s) (300, 400) préparées par polymérisation avant leur mise en place sur ces surfaces. 10.- Installation (1) de conversion d'énergie hydraulique en énergie électrique ou mécanique, ou réciproquement, cette installation comprenant une machine hydraulique (2), une conduite (5) d'amenée d'eau à la machine hydraulique et au moins un composant (3, 16) dont au moins une surface (216, 316) est léchée par un écoulement forcé d'eau (E) traversant l'installation, caractérisée en ce que le composant (3, 11) est selon la revendication 9.