Vaisala Mesure d'humidité dans l'huile Manuel utilisateur

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L’HUMIDITÉ DANS L’HUILE
MAI 2009
L’humidité dans l’huile exprimée sous forme
d’activité de l’eau (aw)
Le point de saturation d’une huile est une fonction de nombreux facteurs
différents tels que la composition de son constituant de base (minéral ou
synthétique) et le type d’additifs, d’émulsifiants et d’agents oxydants présents.
Outre les différences de composition initiales, le point de saturation d’une huile
variera au fil de son cycle de vie lors de son utilisation. Deux facteurs majeurs
affectant le point de saturation d’une huile lorsque celle-ci vieillit sont les
fluctuations de température ainsi que les changements dans sa composition
chimique dus à la formation de nouvelles substances obtenues comme sousproduits de réactions chimiques intervenant dans le système dynamique de
l’huile.
L’unité de mesure traditionnellement utilisée pour quantifier la teneur en eau
dans l’huile est le nombre de ppm (parties par million). Que signifie une valeur
de ppm ? Par définition, le nombre de ppm est le paramètre d’humidité absolue
décrivant le ratio en volume ou en masse de l’eau sur l’huile :
En volume : 1 ppm(volume)d’eau= 0,1 l d’eau / 1 m3 d’huile
OU
En masse :
1 ppm(masse)d’eau= 100 g d’eau / 1000 kg d’huile
Pour mettre ce concept en évidence,
considérons l’huile suivante, soumise
à une baisse de température de 40 °C :
6000
5000
point de saturation
4000
ppm
Tout fluide a le pouvoir de retenir une certaine quantité d’eau
dissoute. La quantité maximale d’eau qu’un fluide donné est
susceptible de contenir en solution est appelée point de
saturation de celui-ci. Lorsque le fluide a atteint son point de
saturation, toute quantité d’eau supplémentaire introduite se
séparera sous forme d’eau libre, en formant une couche
distincte. La plupart des huiles étant moins denses que l’eau,
la couche d’eau se stabilisera généralement sous l’huile.
En mesurant activement les niveaux
d’eau dans l’huile en ppm, il est
possible de déterminer la quantité
absolue d’eau. Une valeur mesurée en
ppm a cependant une limitation
sérieuse : elle ne tient aucun compte
des variations dans le point de
saturation de l’huile. En d’autres
termes, dans un système dynamique
d’huile dont le point de saturation
fluctue, une mesure de ppm ne
fournirait aucune information sur la
proximité du niveau d’humidité par
rapport au point de saturation de
l’huile. Cela devient encore plus
critique lorsque la teneur en eau
avoisine le point de saturation de
l’huile, avec un risque de
dépassement de ce seuil et de
formation d’eau libre – un
contaminant destructif dans
pratiquement toutes les applications
de l’huile.
3000
marge par rapport
au point de saturation
2000
1000
0
Huile lubrifiante pour boîte de vitesses
Température : 70 °C
Point de saturation : 5000 ppm
Quantité effective d’eau
dans l’huile : 2000 ppm aw : ~0,40
6000
5000
ppm
Qu’est-ce que l’activité
de l’eau (aw)?
Que se passerait-il au bout d’un an si,
en raison du vieillissement de l’huile,
le point de saturation continuait de
baisser, jusqu’à 1500 ppm ?
L’activité de l’eau est le ratio entre la
quantité d’eau dans une substance et
la quantité d’eau totale que celle-ci
est susceptible de contenir. Elle est
définie par l’équation :
point de saturation précédent
4000
nouveau point de saturation
3000
occasionnant un risque accru de
formation d’eau libre.
marge par rapport
au point de saturation
2000
1000
0
Huile lubrifiante pour boîte de vitesses
Température : 30 °C
Point de saturation : 3000 ppm
Quantité effective d’eau dans l’huile :
2000 ppm aw : ~0,67
La figure montre que le point de
saturation de l’huile à 70 °C est de
5000 ppm. La quantité d’eau dans
cette huile est de 2000 ppm, ce qui
signifie que l’huile peut encore
contenir 3000 ppm d’eau en plus
avant que l’huile ne devienne saturée.
On appelle parfois ceci la « marge »
par rapport au point de saturation.
Dans ce scénario, il n’y a plus de
marge par rapport à la saturation,
puisque la teneur en eau est
désormais supérieure au point de
saturation. Comme auparavant,
l’opérateur continuerait d’observer
une teneur en humidité de 2000 ppm,
en dépit du fait que le point de
saturation s’est maintenant amenuisé
jusqu’à 1500 ppm, en occasionnant
ainsi une formation d’eau libre de
500 ppm.
En mesurant l’activité de l’eau en lieu
et place des ppm, il est possible
d’éviter les problèmes évoqués
ci-avant.
6000
Dans un tel scénario, si un opérateur
ne mesurait que les ppm, il ne verrait
aucun changement dans la quantité
d’eau présente (2000 ppm), bien que
la marge se soit considérablement
amenuisée et que le point de
saturation soit devenu beaucoup plus
proche de la teneur en eau,
5000
4000
ppm
Lorsque la température de cette huile
baisse jusqu’à 30 °C, son point de
saturation baissera également jusqu’à
3000 ppm. Il convient de noter que la
quantité d’eau dans l’huile n’a pas
changé (elle est toujours de 2000
ppm). La marge par rapport au point
de saturation s’est toutefois
amenuisée jusqu’à 1000 ppm.
3000
2000
1000
Point de saturation précédent
eau libre
Nouveau point de saturation
0
Point de saturation précédent
Nouveau point de saturation
Marge par rapport au point de saturation
aw = p / p0
où
p =
la pression partielle de
l’eau dans une substance
au dessus du matériau
p0 =
est la pression de vapeur
saturée de l’eau pure à la
même température
Dans l’exemple ci-dessus, aw varie en
tant que fonction du point de
saturation (p0, le dénominateur).
Aw variera également en tant que
fonction de la teneur effective en eau
de l’huile, c.-à-d. l’eau pénétrant dans
l’huile ou quittant celle-ci. En d’autres
termes, aw fournira toujours une
indication fidèle de la marge par
rapport au point de saturation.
Même s’il est possible de déduire,
pour toute huile, une corrélation
entre aw et la teneur en eau en ppm,
la validité de cette relation au cours
de la durée de vie de cette huile dans
un système dynamique (p. ex., huile
lubrifiante) ira en se détériorant.
Comme cela a été signalé
précédemment, un fluide subira en
vieillissant des modifications dans
sa composition dues aux réactions
chimiques qui s’y déroulent et qui
affectent non seulement son point de
saturation, mais aussi sa relation par
rapport à aw. Ce phénomène est
visible sur le graphe suivant :
Ce graphe, obtenu à partir de
données de tests sur des huiles pour
moteurs marins, compare la
différence entre une huile neuve et
une huile usagée. En raison de la
migration continue de la relation
entre aw et ppm due au vieillissement,
il est difficile de maintenir une
corrélation valide tout au long de la
durée de vie de l’huile.
Même s’il existe aujourd’hui de
nombreuses méthodes différentes
pour mesurer l’humidité dans l’huile,
les toutes dernières technologies de
mesure en ligne de l’activité de l’eau
font appel à un capteur de type
capacitif, qui fonctionne selon un
principe d’absorption.
Le capteur est un condensateur
composé d’une électrode supérieure
et d’une électrode inférieure, avec
entre les deux un matériau d’isolation
appelé diélectrique. Le diélectrique
absorbe et désorbe les molécules
d’eau, modifiant la constante
diélectrique et par conséquent la
capacitance du capteur. L’absorption
d’eau est proportionnelle à l’activité
de l’eau du fluide. Ce type de
technologie a pour avantages de
permettre une installation directe en
ligne, un temps de réponse très
rapide et une bonne durabilité
chimique compatible avec de
nombreux fluides.
Cette technologie en ligne est très
bien adaptée aux applications faisant
appel à de gros volumes d’huile ou
systèmes hydrauliques, par exemple
la lubrification des machines à papier
et l’exploitation des turbines, ainsi
qu’aux fabricants de systèmes de
régénération des huiles usagées. De
nos jours, de nombreuses
installations de production font appel
à des programmes de maintenance
prévisionnelle conçus pour empêcher
les arrêts des machines et prolonger
la durée de vie des équipements ; les
mesures en ligne et continues de
l’humidité constituent une partie
intégrante du plan de gestion des
fluides.
En conclusion, même si les ppm ont
traditionnellement constitué l’unité
de mesure utilisée pour exprimer la
teneur en humidité dans les fluides, la
mesure de l’aw est susceptible d’offrir
une image plus complète de l’état
d’un fluide :
2. Lorsque le point de saturation
augmente ou diminue pour quelque
raison que ce soit (p. ex. température,
vieillissement, changement des
caractéristiques physiques), l’aw
reflétera de manière précise la
nouvelle marge par rapport à la
saturation.
3. L’aw est indépendante du fluide
mesuré. Comme l’aw est applicable
à tous les fluides et solides, elle peut
s’utiliser de manière universelle pour
toutes les substances, quelles que
soient leur composition chimique ou
leur caractéristiques physiques.
1. Indépendamment du point de
saturation du fluide, une valeur aw
fournira toujours une indication fidèle
du risque de formation d’eau libre.
SHELL ARGINA X40
9000
8000
7000
6000
ppm
5000
huile
newneuve
4000
huile
usedusagée
3000
2000
1000
0
Pour plus d’informations,
rendez-vous sur notre site
www.vaisala.fr ou écrivez-nous
à l’adresse sales@vaisala.com
0
0,2
0.2
0,4
0.4
0,6
0.6
0,8
0.8
1
aw
Ref. B210806FR-A ©Vaisala 2009
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