El poliuretano demuestra que es ideal para los sellos de energía eólica

Por colaborador de WPED | 16 de octubre de 2020

Por Kurt Sassmannshausen, director de desarrollo de productos, System Seals

Si bien el caucho de nitrilo butadieno (NBR) ha sido un elemento básico de los sellos de las turbinas eólicas durante décadas, los avances en las fórmulas, el procesamiento y el diseño de los sellos de poliuretano están rápidamente dejando de lado el lugar del NBR en la industria. Las cualidades que resultan más beneficiosas incluyen la resistencia a la abrasión, la compatibilidad con fluidos, la resistencia al ozono, la resistencia mecánica y la capacidad de mantener todas estas propiedades a bajas temperaturas.

El poliuretano se ha convertido en un material ideal para sellos en cojinetes principales/generadores, de paso y de guiñada. Sin embargo, el simple hecho de cambiar los materiales de los diseños existentes a menudo resulta insuficiente. Los sellos deben diseñarse teniendo en cuenta el poliuretano.

Una forma de evaluar la resistencia a la abrasión en el poliuretano es la prueba de abrasión de tambor estandarizada, como la ASTM D5963. Esto suele reservarse para evaluar cauchos, pero también es eficaz para los poliuretanos, especialmente cuando se comparan tasas de desgaste. A continuación se muestran los valores del índice de resistencia a la abrasión para varios materiales probados en System Seals en Cleveland. Tenga en cuenta que mientras NBR y HNBR indican ARI de ~1,5, el poliuretano indica un ARI de 4 a 8. Esto es una mejora de hasta seis veces.

Figura 1: ARI de elastómeros y poliuretano.

El poliuretano mantiene su valor ARI con el tiempo y después de la exposición a una amplia gama de fluidos, en particular fluidos a base de aceite. Una forma de determinar esto es envejecer muestras de abrasión ASTM D5963 en fluidos durante 90 días a 100 °C (80 °C para fluidos a base de agua) y repetir la prueba cada 30 días. A continuación se muestran resultados típicos, pero se recomienda la confirmación para cada líquido.

Figura 2: Retención de ARI de NBR y PU resistente a la hidrólisis después del envejecimiento en agua destilada a 80°C

Figura 3: Retención ARI de NBR y PU resistente a la hidrólisis después del envejecimiento en aceite mineral destilado a 100°C

Si bien las hojas de especificaciones indican la compatibilidad de fluidos lista para usar, las pruebas de envejecimiento acelerado (o años de tiempo de ejecución de la aplicación) deberían determinar el rendimiento y la estabilidad a largo plazo de un material expuesto a un fluido en particular. System Seals realiza pruebas de compatibilidad de fluidos de 90 días, en comparación con las pruebas estándar de la industria de 168 horas, ya que System Seals ha encontrado consistentemente cambios significativos en las propiedades críticas de los materiales mucho después de 168 horas de contacto con fluidos.

En comparación con el NBR, los poliuretanos formulados a medida demuestran una resistencia a los fluidos mejorada con las grasas más comunes en la industria eólica. A continuación se muestra una tabla de compatibilidad para estas grasas populares.

Figura 4: Marcas de envejecimiento en la grasa; más bajo es mejor

El NBR es notoriamente susceptible a la ozonólisis, cuando las moléculas de ozono separan los enlaces químicos en el NBR insaturado. El craqueo del ozono es común cuando el NBR experimenta incluso tensiones mínimas. Una solución es infundir ceras en el NBR, que crean una barrera antiozono que protege el NBR. Lamentablemente, las ceras no modifican los enlaces químicos del NBR. Si el NBR se expone a condiciones ambientales que eliminan la cera, vuelve a ser susceptible a la degradación. Algunos poliuretanos especiales utilizados en sellos para energía eólica son naturalmente resistentes al ozono.

El poliuretano tiene un módulo de tracción, resistencia y alargamiento de dos a tres veces mayores que la mayoría de los NBR. Debido a esto, los sellos de poliuretano son capaces de resistir una mayor deformación mecánica y soportar cargas mecánicas más altas.

Un NBR típico tiene un módulo de tracción de 10 a 15 MPa y una resistencia a la tracción de 20 MPa. La mayoría de los poliuretanos tienen un módulo de 45 a 60 MPa y una resistencia a la tracción de 50 a 60 MPa. Esto se traduce en un material más rígido que es menos flexible que el NBR, lo que significa una mayor retención de la forma bajo presión y una mayor capacidad de carga de tensión.

Las altas temperaturas no suelen ser un problema en aplicaciones eólicas. Sin embargo, dependiendo de la ubicación y la elevación, una temperatura mínima de -40°C no es infrecuente. Una temperatura mínima de servicio para el NBR estándar podría ser de -20 °C, mientras que muchos poliuretanos para energía eólica no se ven afectados hasta -40 °C, según lo determinado por análisis mecánico dinámico.

Figura 5: Comparación de la temperatura de transición vítrea (Tg) para determinar la temperatura mínima de servicio

Figura 6: Gráfico de radar de puntuaciones de propiedad normalizadas; es deseable que sean más altas

El poliuretano es una opción natural para los sellos de energía eólica porque tiene mayores propiedades mecánicas, mejor resistencia al ozono, tasas de desgaste reducidas y temperaturas de servicio más bajas. A continuación se presentan dos familias de aplicaciones para las que el poliuretano es muy adecuado. La imagen de la izquierda muestra características simuladas de deformación y contacto de un sello de rodamiento de brea de poliuretano. La imagen de la derecha muestra el sello Vortex de System Seals, un sello de cojinete principal que bombea continuamente grasa de regreso al depósito en los giros del cojinete.

Figura 7: sello de paso FEA (izquierda) y mar del cojinete principal Vortex (derecha)