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

Por colaborador de WPED | 16 de octubre de 2020

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

Si bien el caucho de nitrilo butadieno (NBR) ha sido un elemento básico de los sellos de turbinas eólicas durante décadas, los avances en las fórmulas de poliuretano, el procesamiento y el diseño de sellos están dejando rápidamente de lado el lugar de 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, cabeceo y guiñada. No obstante, el simple intercambio de materiales en diseños existentes a menudo se queda corto. 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 norma ASTM D5963. Esto a menudo se reserva para evaluar cauchos, pero también es efectivo para los poliuretanos, especialmente cuando se comparan las tasas de desgaste. A continuación se encuentran los valores del índice de resistencia a la abrasión para varios materiales probados en System Seals en Cleveland. Tenga en cuenta que mientras que NBR y HNBR indican ARI de ~1.5, el poliuretano indica un ARI de 4 a 8. Esta es una mejora de hasta seis veces.

Figura 1: ARI de elastómeros y poliuretano

El poliuretano mantiene su valor ARI a lo largo del tiempo y después de la exposición a una amplia gama de fluidos, sobre todo 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 los resultados típicos, pero se recomienda la confirmación para cada fluido.

Figura 2: Retención 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, deben 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 constantemente cambios significativos en las propiedades críticas de los materiales mucho después de 168 horas de contacto con fluidos.

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

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

NBR es notoriamente susceptible a la ozonólisis, cuando las moléculas de ozono separan los enlaces químicos en NBR insaturado. El agrietamiento por ozono es común cuando el NBR experimenta incluso tensiones mínimas. Una solución es infundir NBR con ceras, que crean una barrera contra el ozono que protege el NBR. Desafortunadamente, las ceras no cambian el enlace químico de NBR. Si el NBR se expone a condiciones ambientales que eliminan la cera, nuevamente se vuelve susceptible a la degradación. Algunos poliuretanos especiales utilizados en los sellos para energía eólica son naturalmente resistentes al ozono.

El poliuretano tiene un módulo de tracción, resistencia y elongación de dos a tres veces mayor 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 10-15 MPa y una resistencia a la tracción de 20 MPa. La mayoría de los poliuretanos tienen un módulo de 45-60 MPa y una resistencia a la tracción de 50-60 MPa. Esto se traduce en un material más rígido que es menos compatible 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 una preocupación en las aplicaciones eólicas. Sin embargo, dependiendo de la ubicación y la elevación, la temperatura mínima de -40°C no es infrecuente. Una temperatura de servicio mínima para 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: Gráfica de radar de puntajes de propiedad normalizados, lo más alto es deseable

El poliuretano es una opción natural para los sellos de energía eólica porque tiene mejores propiedades mecánicas, mejor resistencia al ozono, tasas de desgaste reducidas y temperaturas de servicio más bajas. A continuación se muestran dos familias de aplicaciones para las que el poliuretano es muy adecuado. La imagen de la izquierda muestra la deformación simulada y las características de contacto de un sello de cojinete de paso de poliuretano. La imagen de la derecha muestra el sello Vortex de System Seals, un sello de cojinete principal que bombea grasa continuamente hacia el depósito cuando gira el cojinete.

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