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Installations hydrauliques Évitez jusqu’à 70% de vos arrêts non programmés en prenant soin de vos fluides

LIVRE BLANC - INSTALLATIONS HYDRAULIQUES

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Dans un système hydraulique correctement conçu, dimensionné et entretenu, le fluide, composant central du fonctionnement, ne devrait en théorie jamais être pollué au point de générer des défaillances.

Pourtant, il est aujourd’hui communément admis que 70% à 80% des arrêts machines sont liés à des phénomènes de pollution qui ne peuvent être détectés par une simple surveillance des composants.

Ceci, principalement parce que le processus de contrôle du fluide hydraulique apparaît comme trop contraignant et chronophage pour les équipes de maintenance et qu’il est donc rarement mis en place.

Alors que la propreté du fluide est capitale, elle n’est quasiment jamais suivie de près et ne fait que rarement l’objet d’actions préventives.

Faut-il se résoudre à cet état de fait ou existe-t-il aujourd’hui des moyens permettant de maîtriser la qualité des fluides avec un minimum de contraintes ? Comment surveiller le niveau de pollution de vos fluides hydrauliques ?

Quelles actions mettre en place pour garantir la disponibilité et la pérennité de vos équipements hydrauliques ?

C’est à ces questions que ce livre blanc se propose de répondre.

Philippe Zorel, Expert produits et applications hydrauliques

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Pollution des fluides hydrauliques : quel enjeu ?

Les différents types de pollution et leurs origines

Pollution et défaillances des systèmes hydrauliques

Votre fluide est-il pollué ? Comprendre une analyse d’huile

Comment dépolluer un fluide en urgence ?

Fluide pollué : votre filtre est-il adapté ?

3 autres bons réflexes pour éviter la pollution

Fluid management : une approche globale

Comment surveiller votre fluide en continu, sans contraintes ?

Nos systèmes de maintenance prédictive pour vos installations hydrauliques

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SOMMAIRE

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POLLUTION DES FLUIDES HYDRAULIQUES : QUEL ENJEU ?

Le fluide assure plusieurs fonctions au sein d’une installation hydraulique :

• transmission des mouvements,• lubrification des organes mécaniques,• dissipation de la chaleur issue des frottements,• drainage des impuretés,• maintien de l’étanchéité,• protection contre la corrosion.

Un fluide pollué ne sera pas en mesure d’assurer ces fonctions de manière op-timale, ce qui aura inévitablement des conséquences sur le fonctionnement de l’équipement dans son ensemble :

Disponibilité machineUn fluide pollué génère des pannes plus fréquentes et donc des arrêts de pro-duction répétés, associés à des coûts de maintenance élevés.

Durée de vieLa pollution du fluide entraîne une dé-gradation progressive des composants mécaniques du système, ce qui réduit sa durée de vie.

Performances en servicePlus insidieuse, la baisse des perfor-mances en service d’un système hy-draulique est elle aussi très souvent liée à la pollution du fluide. Celle-ci s’installe progressivement, sous la forme d’une réduction de la vitesse d’éxécu-tion et/ou d’une moins bonne précision dans les mouvements, qui sont parfois difficiles à détecter mais qui ont pourtant un impact certain sur la capacité de pro-duction des équipements concernés.

L’enjeu majeur d’une bonne gestion du fluide est donc de préserver toute la puissance et la durabilité liées à la tech-nologie hydraulique, avec des coûts de maintenance réduits au minimum.

Un fluide contrôlé régulièrement est aussi un fluide qui dure plus longtemps, ce qui permet de réaliser des économies significatives en consommables.

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LES DIFFÉRENTS TYPES DE POLLUTION ET LEURS ORIGINES

Les particules solides

Les fluides hydrauliques peuvent être pollués par des particules issues des composants mécaniques (calamine, copeaux métalliques, particules de caout-chouc ou de peinture) et des poussières présentes dans l’air ambiant.En s’infiltrant dans le jeu fonctionnel des compo-sants, ces particules génèrent une usure de surface prématurée voire un blocage complet du mouvement si leur taille est trop importante.

L’eauLa présence excessive d’eau (libre ou dissoute) im-pacte la viscosité du fluide hydraulique et ses pro-priétés lubrifiantes. Elle peut provoquer des phéno-mènes de corrosion et d’usure sur les composants et réduire l’efficacité ainsi que la durée de vie des filtres.

L’airL’introduction d’air dans le fluide hydraulique en-traîne plusieurs phénomènes (moussage, réaction chimique, oxydation) qui peuvent avoir des consé-quences graves : réponse inappropriée des vannes, pertes de puissance, cavitation des pompes...

Principales sources de pollution des fluidesLa principale source de pollution est l’environnement de production du sys-tème hydraulique. L’air ambiant ainsi que l’humidité et les particules qu’il contient pénètrent dans le système via les tiges des vérins, les joints à labyrinthe et les évents. Les opérations de maintenance (démontage/montage des composants, remplacements de flexibles, appoints de fluide) sont elles aussi une source de pol-lution externe potentielle.

Une fois introduits dans le système, les contaminants créent des phénomènes d’érosion, d’abrasion, d’oxydation, ainsi que des réactions chimiques avec le fluide qui augmentent le niveau de pollution.

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POLLUTION ET DÉFAILLANCES DES SYSTÈMES HYDRAULIQUES

Causes de mise au rebut

Vieillissementdes composants

Dégradation des états de surface

Pollution du fluide(particules solides, eau et air)

Corrosion

Accidents

Usure mécanique

FatigueAdhérence AbrasionÉrosion

Première cause de défaillance des systèmes hy-drauliques, la dégradation des états de surface des composants ne peut être observée à l’oeil nu. Mais elle peut être décelée par une analyse du niveau de pollution du fluide et évitée par une filtration per-formante ainsi que par des traitements permettant la séparation de l’eau et de l’air éventuellement contenus dans le fluide.

15%

20% 50%

15%70%

Etude réalisée par le Dr Rabinowicz (Massachusetts Institute of Technology)

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VOTRE FLUIDE EST-IL POLLUÉ ?COMPRENDRE UNE ANALYSE D’HUILE

ViscositéLa viscosité du fluide à 40 °C est comparée à celle du fluide neuf. Un écart supérieur à 15% entre ces 2 valeurs signale un problème à prendre en compte. Au delà de 25% d’écart, le problème devient critique.

Teneur en eauLa teneur en eau est exprimée en ppm (partie par million). 1ppm correspond à 1ml d’eau pour 1000 litres de fluide.

La teneur en eau a une grande influence sur la durée de vie des composants : à 500 ppm, celle-ci sera divisée par 2 alors qu’elle pourra être au contraire doublée si la teneur en eau du fluide est maintenue en permanence en dessous du seuil de 100 ppm. 300 ppm est une valeur couramment admise comme signal d’alerte.

La capacité du fluide à retenir l’eau s’exprime par son point de saturation : au delà de ce point, le fluide contient de l’eau libre qui crée un phénomène d’émulsion. Une autre valeur indicative importante est donc le taux de saturation en eau du fluide, compris entre 0 et 1 (ex : 0,4 = fluide saturé à 40%). Mais attention : le point de saturation varie en fonction de la température du fluide ; il peut par exemple être de 3 000 ppm à 30 °C et de 5 000 ppm à 70 °C. Ce point doit impérativement être pris en compte dans la surveillance du fluide.

Le niveau de pollution d’un fluide hydraulique est déterminé par son comportement en cisaillement (viscosité), sa teneur en eau et sa teneur en particules.

À chaque type d’installation correspondent des valeurs acceptables différentes sur ces trois critères ; c’est ce qui rend a priori l’évaluation du niveau de pollution complexe.

Mais il existe des valeurs de référence et des outils de codification qui permettent de simplifier la lecture d’une analyse d’huile.

0% 15% 25%

Écart entre la viscosité du fluide à 40 °C et celle du fluide neuf.

Problème à prendre en compte

Problème critique

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Teneur en particulesLa teneur en particules s’exprime avec des codes issus de la norme ISO 4406. Chaque échantillon de fluide est ca-ractérisé par 3 codes qui représentent respectivement la teneur en particules inférieures à 4 microns, 6 microns et 14 microns.

Le tableau ci-contre récapitule les teneurs en particules acceptables en fonction de l’installation et de la nature des composants.

Qu’est-ce qu’un compteur de particules ? Il existe plusieurs méthodes de comp-tage des particules dans un fluide : passage au travers d’une membrane, spectrométrie, gravitométrie, comptage optique.

La méthode du comptage optique est la plus complète car elle permet d’obtenir la distribution granulométrique de tous types de particules sans que la présence d’eau ou l’opacité du fluide n’aient d’in-cidence sur la mesure.

Les compteurs de particules optiques fonctionnent sur le principe de l’occulta-tion d’un faisceau lumineux, qui est placé perpendiculairement au sens d’écoulement du fluide : lorsqu’une particule traverse le faisceau, celui-ci est interrompu. Les capteurs du compteur mesurent et enre-gistrent la fréquence et l’importance des interruptions pour définir le nombre de particules et leurs tailles.

Nature de l’installation

Systèmes présentant une sensibilité extrême aux impuretés et des exigences très importantes en matière de disponibilité

Systèmes présentant une forte sensibilité aux impuretés et d’importantes exigences en matière de disponibilité, tels que les vannes commandées par servomoteur

Systèmes présentant des valves proportionnelles et des pressions supérieures à 160 bars

Pompes à palettes, pompes à pistons, moteurs à pistons

Systèmes hydrauliques industriels modernes, valves directionnelles, soupapes de pression

Systèmes hydrauliques industriels présentant de larges tolérances et une faible sensibilité aux impuretés

Niveau acceptable

≤ 16/12/9

≤ 18/13/10

≤ 18/16/13

≤ 19/14/11

≤ 20/16/13

≤ 21/17/14

Exemple Le compteur de particules en ligne OPM II

L’OPM II est un compteur de particules optique qui permet de surveiller et de documenter le degré de contamination et l’évolution de la pureté des fluides avec précision.

• Pression nominale : jusqu’à 420 bars en dynamique / 600 bars en statique 600

• Débit nominal : de 50 à 400 l / min

• Température de fonctionnement de -20 à 80 °C

• Affichage des classes de propreté selon les normes ISO 4406: 99 ou SAE AS4059E

• Précision ± 1 unité d’affichage par rapport à la norme ISO 11171: 99.

• Mémoire de données intégrée

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COMMENT DÉPOLLUER UN FLUIDE EN URGENCE ?

Les groupes de filtrationLes fluides pollués peuvent être débarrassés des particules via des groupes de filtration mobiles qui sont branchés en dérivation sur l’installation. Ces groupes disposent d’une pompe intégrée dont le débit doit être choisi en fonction de la capacité du réservoir de fluide pour assurer une dépollution dans un délai optimal.Les groupes de filtration peuvent également être utilisés pour filtrer l’huile neuve lors du remplissage, ou même être installés de manière permanente pour soulager les filtres principaux afin de prolonger leur durée de vie.

Les purificateurs de fluideLes purificateurs de fluides sont des systèmes complets qui, en plus de retenir les particules, permettent d’extraire l’eau et les gaz contenus dans les fluides hydrauliques. La séparation entre le fluide et les contaminants liquides et gazeux est obtenue par déshydratation dans une chambre sous vide. Les purificateurs de fluide offrent de meilleures performances que les systèmes fonctionnant par centrifugation ou coalescence car ils permettent également d’extraire l’eau et l’air dissout.

Exemple de résultats pouvant être obtenus avec le purificateur VacuClean VCM50

• Réduction de la teneur en particules jusqu’à 13/10/8

• Passage de 600 ppm d’eau à 300 ppm en moins de 3 heures

• Teneur en eau résiduelle inférieure à 10% (soit 50 ppm, avec huile type iso vg 32)

• Durée de vie du fluide jusqu’à 7 fois plus longue

En cas de pollution anormale-ment élevée du fluide hydraulique, la seule solution envisageable est un traitement en dérivation. Un peu comme pour une dialyse, il s’agit là de faire circuler le fluide dans un ou des appareils externes au système pour le débarrasser de ses particules ainsi que de l’eau et des gaz qu’il contient. Deux types d’équipements sont utilisés pour la dépollution :

• les groupes de filtration • les purificateurs.

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FLUIDE POLLUÉ : VOTRE FILTRE EST-IL ADAPTÉ ?

La prévention de la pollution des fluides hydrauliques passe avant tout par une fil-tration performante. Le filtre est en effet l’organe central de régulation de la qualité du fluide hydraulique, chargé d’éliminer les particules solides.

Pour assurer leur fonction, les filtres doivent être parfaitement adaptés à l’équipement et aux contraintes auxquelles il sera sou-mis en fonctionnement.

Les filtres se caractérisent par leur degré de filtration, leur capacité d’absorption des particules et leur pression différen-tielle. Ces 3 caractéristiques sont interdé-pendantes.

Le filtre, un organe essentiel à la pureté du fluide

ßxα

∆p.

Efficacité de filtration• Nominal (donnée fabricant)• Absolu (suivant norme ISO 16889)• Largeur de maille du tissu

métallique

Capacité de rétention des particules• Suivant norme ISO 16889• Test poussières ISOMTD

Pression différentielle• Suivant norme ISO 3968• Par rapport à 30 cSt/25μm

Un filtre bien adapté permettra une filtration optimale avec une rétention maximale des impuretés tout en main-tenant une pression différentielle mi-nimale qui évoluera progressivement.

Pour bien choisir et dimensionner un filtre, il est important de prendre en compte :

• le volume de fluide qui passera à travers le filtre (débit),

• la viscosité du fluide (le filtre correc-tement dimensionné doit supporter la variation de pression différentielle due aux variations de viscosité liées aux écarts de température),

• la pression de service du système hydraulique et les pics de pression éventuels.

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Le filtre : un rempart contre l’invisible

0 µm

20 µm1 µm 40 µm

50 µm

seuil de filtration d’un filtre hydraulique

Taille d’un grain de pollen

Taille d’une cellule sanguine

Acuité de l’œil humain

Jeux fonctionnels des principaux composants hydrauliques

(Source CETOP RP 92H)

Pompe à engrenage Pompe à engrenage, Flasque latérale Boîtier d’engrenage

Pompe à palettes Extrémité palette Surface palette

Pompe à piston Alésage du piston Embase de raccordement vérin

Servo valve Piston d’asservissement Support de vanne

Vanne de régulation Piston de contrôle Vanne à cône

0,5 - 5 μm 0,5 - 5 μm

0,5 - 5 μm 5 - 13 μm

5 - 40 μm 1,5 - 10 μm

18 - 63 μm 2,5 - 8 μm

2,5 - 23 μm 13 - 40 μm

Seuil de filtration

⅓ du plus petit jeu fonctionnel de l’installation

≤

Règle communément admise pour une filtration efficace :

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1Filtrer correctement l’air au niveau du réservoir

On l’a vu, l’air ambiant est la première source de pollution externe des fluides hydrauliques. En fonction de l’environ-nement de travail de l’installation hy-draulique, celui-ci sera plus ou moins chargé en particules et en eau. La qua-lité du filtre à air et du filtre dessicant intégrés dans le reniflard sont donc particulièrement importantes pour éviter la pollution.

2Choisir le bon fluide

Les principaux critères à prendre en compte pour éviter la pollution sont :• la viscosité (une viscosité mal adap-

tée peut conduire à un échauffement anormal du fluide qui accélère son oxydation)

• la compatibilité du fluide avec les élastomères utilisés dans l’installation

• la qualité de l’huile de base (neuve ou régénérée)

• la nature et la concentration des additifs

3Dépolluer les fluides neufs

Un fluide neuf est par essence un fluide propre, et il peut paraître aberrant de le traiter. Pourtant, même les fluides neufs contiennent des particules ; les dépolluer au moment du remplissage n’est donc pas inutile et permet d’allon-ger considérablement leur durée de vie ainsi que d’éviter l’usure prématurée des composants du système hydraulique.Un traitement en dérivation du fluide neuf dans un groupe de filtration permet-tra d’abaisser drastiquement la teneur en particules, le fluide gagnera en qualité.

3 AUTRES BONS RÉFLEXES POUR ÉVITER LA POLLUTION

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FLUID MANAGEMENT : UNE APPROCHE GLOBALE

Le fluid management est une approche globale qui comprend :

• le dimensionnement et le choix des éléments filtrants,• la sélection du fluide,• la surveillance en continu de la qualité et du niveau de pollution

du fluide,• la mise en place de systèmes de détection et d’alerte (accident

de pollution, colmatage de l’élément filtrant...),• des solutions curatives pour traiter des pollutions exceptionnelles,• des solutions préventives pour augmenter la durée de vie des

fluides.

La partie surveillance et alerte de cette approche globale est aujourd’hui beaucoup plus simple à mettre en place grâce aux nouvelles générations de filtres et d’équipements de mesure équipés de capteurs connectés.

Vous avez désormais la possibilité d’assurer simplement et en temps réel le suivi de l’état de santé de tous vos équipements hydrauliques !

Une bonne conception et une surveillance régulière des vos ins-tallations hydrauliques peuvent permettre d’éviter jusqu’à 70% de vos arrêts non programmés.

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COMMENT SURVEILLER VOTRE FLUIDE EN CONTINU, SANS CONTRAINTES ?

Il est aujourd’hui assez facile d’assurer un monitoring en continu du fluide et des filtres grâce à des équipements peu encombrants qui se branchent sur l’installation :

Compteurs de particules en ligne (type OPM II)

Ils affichent et enregistrent en continu le niveau de pollution suivant les codes ISO 4406 ainsi que la tendance d’évolution de la pollution. Ces compteurs déclenchent une alarme lorsque le seuil admissible est dépassé, ce qui permet aux équipes de maintenance de réagir rapidement.

Appareils de mesure en ligne de la teneur en eau (type WGM07 ou WGMS)

Ils permettent de surveiller le point de saturation du fluide, et peuvent activer une dérivation vers un purificateur d’huile dès lors qu’une valeur limite est atteinte.

Le prélèvement d’échantillons d’huile pour analyse est un pro-cessus contraignant et chrono-phage pour les équipes de main-tenance. Pourtant, seule une surveillance régulière du niveau de pollution du fluide permet de prendre les mesures adéquates pour éviter les défaillances et les arrêts machines.

Indicateurs d’entretien des filtres

Composés d’un indicateur mécano optique et d’un système de commutation électro-nique. Ces systèmes posés directement sur le filtre mesurent ses pertes de charge et les convertissent en système d’alerte de type «feux tricolores» avec 2 seuils de colmatage à 75% et à 100%.

Avec ces 3 types d’équipements, il est possible de maintenir sous contrôle les principaux paramètres nécessaires au bon fonctionnement de l’installation, sans surcharge de travail pour les équipes de maintenance.

WGM07WGMS

OPM II

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NOS SYSTÈMES DE MAINTENANCE PRÉDICTIVE POUR VOS INSTALLATIONS HYDRAULIQUES

Pour aller encore plus loin dans le suivi de vos installations et vous permettre d’augmenter votre ef-ficience en anticipant vos opé-rations de maintenance, Bosch Rexroth a développé des systèmes complets de surveillance d’état (Condition Monitoring Systems ou CMS).

Ces systèmes entièrement person-nalisables assurent 3 fonctions :

• monitoring en continu des équi-pements via des capteurs (par-ticules, teneur en eau, température, pression, flux)

• transmission et stockage des données vers une carte mémoire, un PC ou un serveur,

• analyse des données, déclen-chement des alertes et prévision des défaillances.

Ils sont capables d’émettre des alertes via 3 canaux :

• système de feux tricolores sur la machine,• message d’alerte sur PC,• SMS d’alerte sur téléphone mobile.

Ils permettent à vos équipes de maintenance :

• de réagir instantanément en cas de problème (alertes de dépassement d’un seuil critique),

• de planifier leurs interventions (estimation du délai avant atteinte d’une valeur seuil, prévisions de défaillance)

• de surveiller simultanément et à distance l’ensemble de votre parc machines.

Les systèmes de surveillance d’état de Bosch Rexroth vous offrent la possibilité d’identifier vos risques de défaillance plus tôt pour mieux les éliminer et éviter ainsi les coûts liés aux arrêts non planifiés.

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