폴리우레탄은 풍력 발전용 씰에 이상적임을 입증합니다.

작성자: WPED 기여자 | 2020년 10월 16일

작성자: Kurt Sassmannshausen, System Seals 제품 개발 관리자

NBR(니트릴 부타디엔 고무)은 수십 년 동안 풍력 터빈 씰의 필수 요소였지만 폴리우레탄 공식, 처리 및 씰 설계의 발전으로 인해 업계에서 NBR의 위치가 빠르게 줄어들고 있습니다. 가장 유익한 것으로 입증된 품질에는 내마모성, 유체 호환성, 오존 저항성, 기계적 강도 및 이러한 모든 특성을 저온에서 유지하는 능력이 포함됩니다.

폴리우레탄은 메인/발전기, 피치 및 요 베어링의 씰에 이상적인 소재로 등장했습니다. 그럼에도 불구하고 단순히 기존 디자인의 재료를 교체하는 것만으로는 부족한 경우가 많습니다. 씰은 폴리우레탄을 염두에 두고 설계되어야 합니다.

폴리우레탄의 내마모성을 평가하는 한 가지 방법은 ASTM D5963과 같은 표준화된 드럼 연마기 테스트입니다. 이는 종종 고무를 평가하기 위해 예약되어 있지만, 특히 마모율을 비교할 때 폴리우레탄에도 효과적입니다. 다음은 클리블랜드의 System Seals에서 테스트한 다양한 재료의 내마모성 지수 값입니다. NBR과 HNBR은 ARI가 ~1.5인 반면, 폴리우레탄은 ARI가 4~8임을 나타냅니다. 이는 최대 6배까지 개선된 것입니다.

그림 1: 엘라스토머와 폴리우레탄의 ARI

폴리우레탄은 시간이 지나도 그리고 광범위한 유체, 특히 유성 유체에 노출된 후에도 ARI 값을 유지합니다. 이를 확인하는 한 가지 방법은 유체 내 ASTM D5963 마모 샘플을 100°C(수성 유체의 경우 80°C)에서 90일 동안 숙성시키고 30일마다 테스트를 반복하는 것입니다. 아래는 일반적인 결과이지만 각 유체별로 확인을 권장합니다.

그림 2: 80°C 증류수에서 숙성 후 NBR 및 내가수분해성 PU의 ARI 보유

그림 3: 100°C 증류 미네랄 오일에서 숙성 후 NBR 및 내가수분해성 PU의 ARI 보유

사양 시트에는 기본 유체 호환성이 명시되어 있지만 가속 노화 테스트(또는 수년간의 적용 실행 시간)는 특정 유체에 노출된 재료의 장기적인 성능과 안정성을 결정해야 합니다. System Seals는 업계 표준인 168시간 테스트와 비교하여 90일 유체 호환성 테스트를 수행합니다. System Seals는 168시간의 유체 접촉 후에도 중요한 재료 특성의 중요한 변화를 지속적으로 발견했기 때문입니다.

NBR과 비교하여 맞춤형 폴리우레탄은 풍력 산업에서 가장 일반적인 그리스와 함께 향상된 유체 저항성을 보여줍니다. 아래는 이러한 인기 있는 그리스에 대한 호환성 차트입니다.

그림 4: 그리스의 노화 점수; 낮을수록 좋다

NBR은 오존 분해(오존 분자가 불포화 NBR의 화학 결합을 분리할 때)에 취약한 것으로 악명이 높습니다. 오존 균열은 NBR이 최소한의 변형을 경험할 때 흔히 발생합니다. 한 가지 해결책은 NBR을 보호하는 오존 방지 장벽을 생성하는 왁스를 NBR에 주입하는 것입니다. 불행하게도 왁스는 NBR의 화학적 결합을 변화시키지 않습니다. NBR이 왁스를 제거하는 환경 조건에 노출되면 다시 분해되기 쉽습니다. 풍력 에너지 씰에 사용되는 일부 특수 폴리우레탄은 자연적으로 내오존성입니다.

폴리우레탄은 대부분의 NBR보다 인장 탄성률, 강도 및 신장률이 2~3배 더 높습니다. 이 때문에 폴리우레탄 씰은 더 큰 기계적 변형에 저항하고 더 높은 기계적 부하를 견딜 수 있습니다.

일반적인 NBR의 인장 탄성률은 10-15MPa이고 인장 강도는 20MPa입니다. 대부분의 폴리우레탄은 모듈러스가 45-60 MPa이고 인장 강도는 50-60 MPa입니다. 이는 NBR보다 덜 순응적인 더 견고한 재료로 해석되며, 이는 압력 하에서 더 큰 형태 유지 및 더 높은 응력 부하 능력을 의미합니다.

풍력 응용 분야에서는 일반적으로 고온이 문제가 되지 않습니다. 그러나 위치와 고도에 따라 최저 기온이 -40°C인 경우도 드물지 않습니다. 표준 NBR의 최소 사용 온도는 -20°C일 수 있지만, 동적 기계 분석에 따르면 많은 풍력 발전용 폴리우레탄은 -40°C까지 영향을 받지 않습니다.