La compatibilité des éléments de filtration des circuits de carburant avec des biodiesels.

Pour atteindre ses objectifs ambitieux en termes de réduction des émissions de gaz à effet de serre, la SNCF se lance, entre autres, dans une démarche de substitution du gazole ferroviaire par du biocarburant issu de la filière Colza, le B100. Dans le cadre de cette démarche, la vérification de la compatibilité du B100 avec le Matériel thermique existant représente une étape indispensable. Des différences de composition chimique entre les deux carburants, comme par exemple une teneur plus élevée en eau et en oxygène du B100, sont susceptibles de provoquer la corrosion des moteurs et circuits de carburant. 

L’AEF a ainsi réalisé pour le compte de la Direction de l’Energie une étude sur les dégradations susceptibles de se produire sur les filtres et préfiltres équipant les moteurs Régiolis et AGC : les phénomènes de corrosion / vieillissement prématurés des constituants métalliques et des joints élastomères assurant l’étanchéité.  

Un protocole d’essai reproduisant les conditions d’exploitation de ces filtres a été élaboré. Différentes caractéristiques des filtres et préfiltres immergée à 50°C dans le Gasoil Non Routier et dans le B100 pendant 42 jours ont ainsi été suivies : 

• Dans le cas des éléments métalliques, la variation de masse ainsi que les modifications en termes de composition chimique et de morphologie, à l’aide d’un Microscope électronique à Balayage (MEB).
• Pour les élastomères, les variations de masse et de volume ainsi que de la dureté.

Cependant, concernant les éléments d’étanchéité, le B100 s’est avéré plus agressif que le gazole non routier, provoquant une augmentation sensible de leur volume et ainsi qu’une chute importante de leur dureté. 

Ces éléments ont ainsi démontré un risque non négligeable de fuites au niveau des joints élastomères des filtres lors de l’exploitation des équipements. Une étude complémentaire de compatibilité et de qualification d’élastomères plus résistants au B100 est actuellement en cours. Ces élastomères, si les résultats s’avèrent satisfaisants, seront alors soumis à un essai en condition réelle. 

En ce qui concerne la réduction des émissions de polluants dans l’air, des essais devront être réalisés prochainement afin de comparer en ligne les émissions issues de la combustion de gazole non routier et celles issues de la combustion de biocarburants de type B100.

Une démarche de maîtrise des risques au Fablab du Technicentre de Saint-Pierre des Corps

Les avantages de la Fabrication additive, ou impression 3D, sont nombreux. Son usage est en pleine expansion, notamment dans l’industrie ferroviaire, où elle permet d’optimiser la maintenance des équipements. L’un des intérêts majeurs de ce procédé de fabrication est la production de pièces complexes à la demande, en petite série, ce qui offre une meilleure gestion des stocks.  La large gamme de matériaux imprimables et la montée en performance des machines en font une technologie de plus en plus compétitive.

Cependant, comme toute nouvelle technologie, son développement s’accompagne de l’émergence de nouveaux risques lors de son utilisation. Du fait de sa relative jeunesse, ces risques demeurent encore peu connus et nécessitent des études spécifiques afin de les évaluer et d’identifier les mesures de prévention à mettre en œuvre.

Aujourd’hui, on recense 7 procédés relevant de cette technologie, qui ont pour point commun de réaliser une pièce par un empilement de couches de matière successives. Ils mettent en œuvre de nombreux types de matériaux, des polymères, des métaux sous forme de poudres métalliques, des matériaux composites, ce qui génère des risques différents en fonction de chacun de ces produits et procédés.

L’un des principaux risques à prendre en compte est le risque chimique. Les poudres et les liants utilisés contenant en effet de nombreux additifs chimiques, qui, lors du processus de chauffe, peuvent émettre des vapeurs et composés gazeux (Composés organiques volatils, monoxyde de carbone….) ainsi que des particules fines voire ultrafines. 

La FABLAB du Technicentre de Saint Pierre des Corps a décidé de faire appel à l’AEF afin d’initier une démarche d’évaluation des risques d’exposition au poste de travail de son procédé de fabrication additive. La FABLAB met en œuvre des imprimantes utilisant la technique du dépôt de film ou FDM (Fused Deposition Modeling) avec des matériaux plastiques du type PLA (acide polyactique), PVA (Alcool Polyvinylique) et BREAKAWAY (Polyuréthane thermoplastique et acide polylactique).

Dans un premier temps, une étude de dé-formulation de plusieurs types des matériaux mis en œuvre a été réalisée à l’aide de plusieurs méthodes analytiques (Spectroscopie Infra Rouge à Transformée de Fourier, Microscopie Electronique à Balayage…) afin de mieux connaître leur composition chimique. Ensuite, les composés organiques volatils (COV) émis en portant les échantillons à la température de mise en œuvre ont été analysés par Chromatographie en Phase Gazeuse couplé à la Spectrométrie de masse (GC-MS).  

Dans le cas d’un échantillon de type polyuréthane soumis à des conditions proches de celles de l’impression 3D, on observe (Tableau 1) ainsi majoritairement le relargage d’Hydroxotoluène  butylé (BHT), du tétrahydrofurane, de la cyclopentanone et de la 1,6-dioxacyclododécane-7,12-dione qui sont des composés couramment employés comme solvant, inhibiteur radicalaire ou sous-produits de réactions dans l’industrie des polymères. 

Ces résultats seront alors utilisés afin de pouvoir finaliser la démarche d’évaluation des risques au poste de travail, que ce soit pendant la phase d’impression, mais également lors de la phase de traitement après impression. Ils permettront de valider la mise en place des moyens de prévention adaptés, en particulier des dispositifs d’aspiration des poussières et des gaz et de réaliser les mesures réglementaires visant à s’assurer que les Valeurs Limites d’Exposition Professionnelles (VLEP) sont respectées. 

Toute cette démarche permettra ainsi de démontrer que les procédés sont mis en œuvre avec une maîtrise des risques suffisante pour assurer la sécurité des opérateurs.

Une expertise pour identifier l’origine de cette pollution 

En 2019, l’infiltration de plusieurs planchers de Régio 2N par des liquides de composition inconnue a provoqué leur détérioration.   L’AEF a donc été saisie pour identifier la nature de ces liquides ainsi que les causes à l’origine des fuites.  

Pour réaliser cette investigation, les experts de l’AEF se sont rendus dans un Technicentre pour réaliser un arbre des causes et effectuer des prélèvements directement sur les planchers infiltrés. L’arbre des causes défini à l’issue de cette journée a permis de formuler  5 hypothèses pouvant expliquer ces événements. 

De retour à l’AEF, les échantillons de liquide prélevés ont subi de nombreuses analyses à l’aide des équipements de l’AEF et de son partenaire, le Laboratoire Central de la Préfecture de Police de Paris : spectrométrie infrarouge à Transformée de Fourier (IRTF), Chromatographie en phase gazeuse couplée à un spectromètre de masse (GC-MS), Chromatographie ionique haute performance (CIHP), Spectrométrie à Fluorescence X… . 

Des analyses identiques ont été réalisées sur un échantillon de produit de nettoyage intérieur utilisé sur site, principal suspect des infiltrations.   

Le liquide infiltré dans le plancher s’est avéré avoir les caractéristiques des produits de détergence et de nettoyage (un PH alcalin, la présence de bicarbonate de potassium,  d’ions sulfates, de calcium…). L’absence de phosphates dans ce liquide a cependant permis de montrer qu’il ne correspondait pas exactement au produit de nettoyage analysé.   

Cette expertise a permis de conclure que les opérations de nettoyage intérieures des sols utilisant ce produit étaient vraisemblablement à l’origine de l’infiltration dans les planchers de Régio 2N, ce qui a conduit à leur remise en conformité. 

2 cas d’étude : analyse de défaillance des câbles d’un groupe de climatisation et étude de la dégradation des graisses de boite d’essieu

Focus sur la Microscopie Electronique à Balayage couplée à une Analyse par Spectroscopie de Dispersion d’Energie (MEB-EDS), outil de pointe qui permet de cibler une zone d’intérêt et de détecter des anomalies difficiles à mettre en évidence via des outils de caractérisation classiques. Le MEB donne accès à la morphologie et la topographie de surface des échantillons alors que l’EDS renseigne sur la composition chimique.

Dernières investigations
> Analyse de défaillance de câbles issus d’un groupe de climatisation d’un Regio2N

Une anomalie est apparue en service sur un groupe de climatisation d’un Regio2N. Un réseau de câbles s’est dégradé. La coloration bleu-vert (Fig. 1) des câbles et de leur pince métallique présage une corrosion des pièces. L’idée ici est de mettre en évidence la dégradation subie par les pièces, son origine et de proposer une solution pour limiter cette dégradation.

Nous avons tout d’abord analysé les échantillons neufs pour avoir un point de départ, une référence. Les câbles sont constitués de fils métalliques protégés par une gaine et présentant une pince à leur extrémité. Le câble neuf se caractérise par des fils torsadés (Fig. 2a). Il est constitué d’étain (Sn) et du cuivre (Cu) donc est purement métallique. La gaine (Fig. 2b) est un matériau homogène de type plastique, constitué essentiellement de carbone (C) et d’oxygène (O).

Les câbles du service présentent un dépôt comme le témoignent les images des Fig. 2c et 2d. Nous avons analysé la composition chimique des câbles usagés pour comprendre l’origine de ce dépôt. Ils se caractérisent par la présence de cuivre (Cu) et d’oxygène (O) majoritaires (Fig. 3). On note par ailleurs la présence de chlore (Cl) en quantité non négligeable (8%). L’analyse de la zone bleu-vert des gaines montre la présence de cuivre majoritaire, d’oxygène, de carbone et de chlore. Il semblerait que le dépôt bleu-vert ait été transporté et déposé à la surface de la gaine.

D’après nos hypothèses, la présence d’oxygène en quantité importante témoigne de la formation d’oxydes de cuivre donc d’une corrosion des pièces. Il pourrait s’agir d’une corrosion atmosphérique en air humide pollué par du chlore apporté par le sel de mer (appelé chimiquement chlorure de sodium). Une mesure de prévention contre ce phénomène est donc de déposer une couche de métal inoxydable à la surface des parties métalliques pour les protéger ainsi de la corrosion.

Un contrôle rigoureux des graisses de boite d’essieu : informations sur les mécanismes de dégradation

La boite d’essieu est un organe dont le contrôle strict est nécessaire pour éviter tout incident qui se révèlerait dramatique (ex : casse fusée). La graisse de boite d’essieu est un lubrifiant complexe constitué entre autre :

• d’huile dont le rôle est de lubrifier le contact,
• d’un épaississant qui permet de stocker l’huile et de la maintenir dans la zone de contact

Le MEB est un outil d’observation qui permet de contrôler l’état de l’épaississant. Nous avons ici suivi l’évolution de sa dégradation face à un phénomène d’oxydation connu en service. Nous avons simulé ce phénomène au laboratoire via un chauffage des graisses sous air à 130 °C pour des durées allant de 25 à 75h.

L’observation met en évidence de longues fibres torsadées dans le cas de la graisse neuve (Fig. 4a).  Mais dès 25h d’oxydation (Fig. 4b), il y a une perte de cette morphologie torsadée et un début d’agglomération des fibres qui se regroupent pour former des amas de fibres. Le phénomène s’intensifie avec le temps d’oxydation croissant. En effet, l’oxydation entraîne la formation d’agglomérats de fibres de taille importante (Fig. 4c et 4d). Cette agglomération déstructure le réseau de fibres de l’épaississant et dégrade ainsi la capacité de ce dernier à stocker de l’huile. En service, ce type de défaut prive le contact de lubrifiant et accentue le risque de frottement et d’usure métallique.