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.

Fig. 1. Le MEB de l’AEF

Le Microscope Electronique à Balayage (MEB) couplé à la spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie (SDXE) apporte des informations cruciales lors d’une expertise physico-chimique ! Il permet notamment de visualiser des objets en relief et d’estimer leur composition chimique élémentaire.

Le principe repose sur le bombardement d’un échantillon par des électrons. L’interaction entre ces électrons et l’échantillon provoque alors la formation d’électrons secondaires de plus faible énergie ainsi qu’un rayonnement X, détecté par un semi-conducteur Si(Li). Le signal est alors amplifié et permet l’obtention d’un spectre de rayons X.

Deux exemples d’utilisation du MEB

• Analyse de la dégradation des graisses

La lubrification des organes de roulement (boites d’essieu) se fait à l’aide de graisse. La graisse est constituée d’huile (rôle de lubrifiant) et d’épaississant (rôle de stockage). De nombreux outils permettent d’évaluer les propriétés des graisses et leurs dégradations. L’avantage du MEB, c’est qu’il permet la visualisation de celles-ci.

On s’intéresse ici à l’épaississant, obtenu après élimination de l’huile, d’une graisse neuve et de graisses dégradées mécaniquement par cisaillement et chimiquement par oxydation (Fig. 2).

• Graisse neuve (Fig. 2a)  graisse semi-solide, épaississant aux longues fibres torsadées
• Graisse cisaillée (Fig. 2b)  graisse liquide, épaississant aux fibres plus courtes, non torsadées
• Graisse oxydée (Fig. 2c)  graisse liquide, épaississant aux longues fibres molles et non torsadées

Fig. 2. Clichés de MEB des graisses: a) neuve, b) barattée et c) oxydée

Le MEB permet de comprendre le mécanisme de dégradation de l’épaississant : l’action mécanique entraîne une cassure des fibres de l’épaississant alors que l’action chimique conduit à une perte de son aspect torsadé.

Ces fibres plus courtes ou molles ne permettent alors plus de stocker l’huile et expliquent l’état liquide de la graisse. En service, une telle graisse risque de s’échapper des roulements et de ne plus assurer son rôle de lubrification.

• Analyse d’échantillons inconnus à l’origine de patinages/enrayages

Un dépôt de composition inconnue, suspecté être à l’origine du patinage/enrayage d’un train, a été prélevé sur les rails. Du fait de l’aspect de l’échantillon, une première hypothèse était que le dépôt était constitué de graisse.

Des analyses au MEB du dépôt et de la graisse neuve (Fig.3) ont cependant permis d’écarter cette hypothèse. Les morphologies des deux échantillons sont en effet très différentes : le dépôt est amorphe (gauche) et ne présente aucune fibre torsadée semblables à celles de la graisse (droite).

Fig. 3. Clichés MEB du dépôt (gauche) et de la graisse neuve (droite)

Des analyses avec la sonde de rayons X ont ensuite permis de déterminer la composition chimique du dépôt. Le spectre du dépôt (spectre jaune orangé) a été comparé à celui d’une feuille de chêne (spectre vert) trouvée non loin des rails (Fig. 4).

Le dépôt présente les mêmes pics que ceux de la feuille de chêne avec en plus des pics de fer d’intensité très élevée.

Ces analyses ont donc permis de conclure que le dépôt prélevé sur les rails était constitué de feuille d’arbre et de particules métalliques issues de l’usure ferroviaire.

Fig. 4. Spectres SXDE du dépôt (jaune orangé) et d’une feuille de chêne (vert)

Suite à un taux anormalement élevé de défaillances sur les groupes de climatisation équipant le matériel roulant de Bombardier, les équipes techniques de Bombardier ont mis en évidence une présence importante de poussières sur les cartes électroniques de ces groupes. Ces poussières peuvent être une raison de cette dégradation des cartes électroniques. En octobre 2018, L’AEF a été sollicitée afin de déterminer l’origine et la composition de celles-ci. Cette expertise a nécessité la mobilisation de nombreux équipements du parc analytique du laboratoire.

La première étape pour réaliser cette étude a été de définir un protocole de prélèvement. Les poussières ont été directement prélevées sur les cartes électroniques ainsi que sur les deux entrées d’air au niveau des blocs de climatisation. Ces prélèvements ont été réalisés sur le technicentre PACE UOM de Marseille au cours de la nuit du 22 au 23 novembre 2018 par le personnel de l’AEF. Les trois prélèvements ont été réalisés  sur l’ensemble des sept voitures composant une rame PACA.

Au total, 21 échantillons ont été collectés. Ces échantillons ont ensuite été broyés et homogénéisés au laboratoire afin de produire trois échantillons représentatifs des poussières présentes sur les cartes électroniques et au niveau des deux entrées. Les analyses physico-chimiques ont alors été réalisées sur ces trois échantillons.

L’ensemble des méthodes employées dans le cadre de cette étude sont complémentaires et permettent de caractériser précisément les échantillons. Les techniques utilisées sont les suivantes :

• Les techniques de paillage permettant la détermination des paramètres dits « globaux » tels que le potentiel Hydrogène (pH), la teneur en humidité et la conductivité, c’est-à-dire la capacité à transporter un courant électrique ;
• La spectrométrie de fluorescence des rayons X et microscope électronique à balayage équipé d’une sonde EDX afin de définir les éléments chimiques (fer, cuivre…) composant les échantillons ;
• La spectrométrie infra-rouge et la diffractométrie des rayons X afin de déterminer la composition organique et la structure cristallographique des poussières c’est-à-dire sous quelle forme sont présents les éléments métalliques, par exemple le fer peut se trouver sous forme ionique ou sous forme d’oxyde (de rouille) ;
• La spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif permettant une quantification précise de la composition élémentaire. Dans le cadre de poussière, elle nous permet de connaitre la teneur précise des éléments métallique (par exemple, la masse en fer retrouvée dans les poussières sur les cartes électroniques correspond à 12 % de la masse totale).

Les résultats obtenus ont montré une forte similarité entre les trois types de poussières pour chacun des paramètres. Cela signifie que la composition des poussières retrouvées sur les cartes électroniques est la même que celle des poussières provenant de l’extérieur et de l’intérieur des rames. Il est donc possible de conclure que l’origine des poussières sur les cartes électroniques est multiple et provient à la fois de l’extérieur de la rame mais aussi de l’intérieur.

Concernant la corrosivité des poussières les valeurs de la conductivité étaient très élevées pour un échantillon solide.  Un sol est considéré comme très conductif  lorsque les conductivités électriques dépassent  4 mS/cm. Dans le cas des poussières des cartes électronique, la valeur obtenue était de 8,16 mS/cm. Ces résultats indiquent une salinité pouvant induire la corrosion des cartes électroniques et confirment l’hypothèse apportée par le client sur la responsabilité des poussières dans le dysfonctionnement des cartes électroniques.

Afin de protéger les cartes, les préconisations sont d’empêcher l’entrée de poussières notamment par la mise en place de filtres sur les réseaux d’air extérieur et intérieur.