Naftový olej je vynikající mazivo, takže systémy, které jej používají jako prostředek přenosu energie, mohou očekávat dlouhou a spolehlivou životnost. V mnoha systémech a aplikacích však má naftový olej jednu zásadní nevýhodu: pod tlakem může unikat prostřednictvím netěsností ve formě rozstřikovaného oleje (olejový rozstřik). Tento rozstřik se stal příčinou mnoha průmyslových požárů.

Při běžném používání naftového oleje není riziko vzniku požáru příliš vysoké – protože minerální olej se při pokojové teplotě nesnadno vznítí a má schopnost uhasit plamen podobnou zápalkovému dřívků. Pokud však vysokotlaké potrubí vykazuje malé netěsnosti, olej se z nich rozstřikuje ve formě jemného mlhového aerosolu. Tento aerosol je vysoce hořlavou směsí, kterou lze velmi snadno vznítit – takovou netěsnost lze považovat za palivový stříkač.

V průmyslových prostředích s rizikem požáru je prvním důležitým aspektem bezpečnost zaměstnanců a schopnost udržet výrobu bez náhodných požárů. Pokud může dané prostředí vytvářet náhodné zdroje zapálení, je nutné použít hydraulické kapaliny odolné proti požáru. Použití takových kapalin zvyšuje provozní náklady (kapaliny odolné proti požáru jsou dražší než minerální oleje) a snižuje životnost komponentů.

Účelem této kapitoly je identifikovat běžně používané hydraulické kapaliny odolné proti požáru v hydraulických systémech, diskutovat některé problémy spojené s jejich používáním a poskytnout pokyny pro údržbu.

Určení odolnosti proti požáru

Kapaliny odolné proti požáru nejsou nepatrné — jak jejich název napovídá, jsou pouze obtížně zapalitelné. Pokud je kapalina odolná proti požáru zahřátá na dostatečně vysokou teplotu, nakonec se přesto vzplane.

Odolnost konkrétní kapaliny vůči ohni je určena třemi technickými měřeními: teplotou vzplanutí, teplotou hoření a teplotou samovznícení. Referenční kapalinou ve třech následujících popisech zkoušek je hydraulický olej na bázi ropy.

Bod zapalnosti

Teplota vzplanutí kapaliny je teplota, na kterou musí být zahřáta, aby z jejího povrchu uvolnila dostatek páry k vzplanutí při přiložení plamene. U hydraulického oleje na bázi ropy se při zahřátí na 350–450 °F (176,6–232,2 °C) uvolní dostatek páry k vzplanutí při přiložení plamene. Po odstranění plamene však hoření ustane.

Teplota hoření

Teplota hoření je teplota, na kterou musí být olej zahřát tak, aby po odstranění zkouškového plamene nadále hořel. Nad touto teplotou se z povrchu oleje uvolňuje dostatek páry, která se po vzplanutí udržuje v hoření i po odstranění zdroje plamene.

Teplota samožhnutí

Teplota samozápalu (AIT) je teplota, při které se olej zápálí sám bez vnějšího plamene nebo jiskry. U hydraulického oleje na bázi ropy dojde k samovolnému vzplanutí, pokud je zahřát na teplotu 260–371 °C (500–700 °F).

Kapaliny zařazené do kategorie nehořlavých mají vyšší teplotu vzplanutí, teplotu hoření a teplotu samozápalu než oleje na bázi ropy.

Typy nehořlavých hydraulických kapalin

Nehořlavé hydraulické kapaliny lze rozdělit do dvou hlavních kategorií: vodní a syntetické.

Vodní hydraulické kapaliny

Prvním hydraulickým pracovním prostředkem byla voda. Voda má některé nedostatky (zejména co se týče mazání), avšak je nehořlavá, takže původním řešením v případech, kdy byla vyžadována odolnost vůči požáru, bylo jednoduše vrátit se k použití vody. Protože však je pro provoz potřebné určité mazání, byly olej a voda emulgovány dohromady.

Emulze voda-v-oleji (W/O emulze)

Jde o vodní ohnivzdornou kapalinu složenou z vody a oleje. Nejedná se o roztok – olej a voda se ve vzájemné směsi nerozpouštějí. V této kapalině je olej chemickým emulgátorem rozptýlen do extrémně jemných kapek a rovnoměrně rozprostřen po celém vodním nosiči, čímž se zlepšuje jeho mazací vlastnost. Když tato kapalina přijde do styku s plamenem, voda se přemění na páru a uhasí oheň.

Tuto dvoufázovou vodně-olejovou kapalinu nazýváme emulze. V době, kdy byl tento typ kapaliny široce používán, byl typický poměr 60 % vody ku 40 % oleje, přičemž voda tvořila hlavní fázi a olej rozptýlené kapky.

Vodní kapalina s vysokým obsahem vody (HFA)

Jedná se o ohnivzdornou kapalinu, jejíž hlavní složkou je voda. V současné době se tento typ kapaliny v hydraulických systémech používá jen zřídka – s výjimkou systémů, ve kterých dochází kvůli netěsnostem ke ztrátě velkého množství pracovní kapaliny. Systémy, které tuto kapalinu využívají, obětují zkrácenou životnost komponentů určité ekonomické výhodě, neboť je relativně levná (voda tvoří alespoň 90 % obsahu).

Emulze s obsahem oleje 1–10 % se nazývá vodní emulze s vysokým obsahem vody (roztok oleje ve vodě). Pokud někdo uvádí, že jeho systém používá „roztok s 5 % oleje“, znamená to 95 % vody a 5 % oleje, tedy chemické poměry 95:5.

Emulze olej ve vodě (HFB)

Moderní vodní/olejové emulze používané v hydraulických systémech jsou mléčně bílé kapaliny složené ze 60 % oleje a 40 % vody – poměr je naopak než u dřívějšího typu HFA (60 % vody k 40 % oleje). Protože hlavní složkou této kapaliny je olej a voda tvoří disperzní fázi, má emulze HFB lepší mazací vlastnosti než HFA, avšak její ohnivzdornost je mírně snížená.

viskozita vodních/olejových emulzí

Stejně jako u petrolejového oleje je viskozita důležitou vlastností vodních/olejových emulzí. Protože kapalina HFA obsahuje nejméně 90 % vody, její viskozita je v podstatě rovná viskozitě vody – což ji činí poměrně slabým mazivem.

Na druhé straně i když emulze HFB obsahuje přibližně 60 % oleje, neznamená to, že její viskozita odpovídá viskozitě základního oleje. V důsledku smykového účinku mezi oběma fázemi vykazuje emulze HFB nižší viskozitu, než by se očekovalo. Aby bylo zajištěno dostatečné mazání součástí systému, měla by používaná emulze HFB mít vyšší viskozitu než petrolejový olej obvykle používaný v daném systému. Například pokud systém používá petrolejový olej s viskozitou 150 SUS (32 cSt) při 100 °F (37,7 °C), měla by emulze HFB mít viskozitu 375 SUS (80,9 cSt) při 100 °F (37,7 °C).

Když pracovní kapalina prochází hydraulickým čerpadlem a systémem, způsobuje smykový účinek mezi dvěma fázemi pokles viskozity emulze HFB. Aby byly součásti dostatečně mazány, musí být viskozita emulze HFB vyšší než viskozita běžného petrolejového oleje pro daný systém.

Problémy s emulzemi olej ve vodě

Ukládání ohnivzdorných kapalin na bázi vody v nádrži může způsobit problémy. U emulze HFB jsou hlavními problémy oddělení fází a růst bakterií.

Fázové oddělení

Emulze HFB nejsou navrženy pro provoz za nízkých teplot. Při 32 °F (0 °C) začíná vznikat led; při přibližně −10 °F (−23,3 °C) se emulze úplně zamrzne. Cykly zmrazování a rozmrazování způsobují oddělení obou fází: při bodu mrazu vody (32 °F / 0 °C) se část vodních kapek v emulzi ztuhne za vzniku ledových krystalů. Při ohřátí systému a tání ledu se emulze nutně znovu nesloží – v tomto stavu kapalina zvyšuje náchylnost součástí ke korozí a již není vhodným mazivem.

Opakované cykly zmrazování a rozmrazování způsobují trvalé oddělení vodní a olejové fáze. Jakmile dojde k oddělení, je velmi obtížné, případně nemožné, obě fáze znovu dovést do emulzního stavu, a odolnost vůči požáru se stává vážným problémem.

Kontrola oddělení fází

Vizuální kontrola se používá k ověření, zda došlo u emulze k fázovému oddělení. V nádrži je obtížné rozhodnout, zda se obě fáze oddělily — odeberte vzorek oleje, nalijte ho do lahve se širokým hrdlem a nechte ho chvíli odstát. Jakoukoli volnou vodu uvidíte usazující se na dno lahve.

Pokud podezříváte, že fázové oddělení je závažné, obraťte se na svého dodavatele kapalin — může doporučit výměnu kapaliny.

Růst bakterií

Při vhodných teplotních podmínkách se v emulzi HFB mohou množit bakterie. Velké množství bakterií může ucpávat otvory regulačních ventilů průtoku i filtrační prvky — všechny tyto jevy způsobují, že systém funguje nepolehlivě a dochází k jeho poruchám.

Mnoho emulzí HFB obsahuje bakteriostatické přísady, které tomuto jevu brání.

Kontrola růstu bakterií

Růst bakterií v emulzi HFB lze detekovat vizuálně i podle zápachu. Pokud se v kapalině bakterie rozvinuly, vstupní filtr vypadá, jako by byl pokryt lepkavým slizem, a kapalina vyvíjí nepříjemný zápach.

Pokud je v emulzi přítomný růst bakterií, bude kapalina pravděpodobně nutné vyměnit.

Voda-glykol (HFC)

Voda-glykol je dalším typem vodního požárně odolného oleje. Skládá se z vody a glykolu (ethylenglykolu) a jeho chemická struktura je velmi podobná automobilovému chladicímu prostředku.

Voda-glykol je obvykle červená nebo růžová. Obvykle obsahuje 60 % glykolu a 40 % vody, přičemž pro zvýšení viskozity jsou přidané chemické zahušťovací látky. Protože se glykol ve vodě skutečně rozpouští, jedná se u této kapaliny o jednofázový systém – na rozdíl od emulzí neobsahuje pod mikroskopem oddělené kapky vody a glykolu. Voda-glykol dobře funguje za nízkých teplot.

Porovnání emulze HFB a vody-glykolu

Při porovnání emulze HFB a vody-glykolu zjistíme:

1. Stabilita emulze HFB je horší než stabilita roztoku vody-glykolu.
2. Stabilní emulze HFB má lepší mazací vlastnosti.
3. Emulze HFB je levnější.
4. Voda-glykol má lepší požární odolnost.
5. Vodný glykol lépe funguje při nízkých teplotách.

Problémy s hydraulickými kapalinami na vodní bázi

Použití ohnivzdorné kapaliny na vodní bázi v hydraulické nádrži vyvolává některé problémy. Dva hlavní problémy u emulze HFB jsou snížená životnost komponentů a vypařování vody.

Mazání kapalinou na vodní bázi

Protože ohnivzdorné kapaliny na vodní bázi obsahují velký podíl vody, aby byly ohnivzdorné, jejich mazací vlastnosti jsou mnohem nižší než u minerálního oleje – to je jejich vnitřní nedostatek.

I když jsou do nich přidané mazací a olejové přísady, stále zkracují životnost komponentů v provozu. Kvůli tomuto nepříznivému účinku se ohnivzdorné kapaliny na vodní bázi obecně nepoužívají v systémech pracujících za tlaku vyššího než 1 800 psi (124 bar).

Mezi kapalinou HFA, emulzí HFB a vodným glykolem má stabilní emulze HFB nejlepší mazací vlastnosti, následuje vodný glykol a poté HFA.

Tabulka 4-1: Relativní faktory snížení mazání pro vodní nehořlavé kapaliny ve srovnání s petrolejem. Vyšší faktor znamená větší opotřebení komponent.

Odpařování vody

Mnoho výrobců kapalin doporučuje, aby maximální provozní teplota vodních hydraulických kapalin nepřesahovala 140 °F (60 °C) a ideálně by měla být udržována pod 120 °F (49 °C). Nad 140 °F (60 °C) může dojít k nadměrnému odpařování vody.

Při odpařování vody z vodní kapaliny nastane několik nežádoucích jevů. Vodní pára unikající z kapaliny se kondenzuje na nechráněných površích železných komponent a způsobuje korozí šíření rzi. Po určité době se rzi odštípne a stane se zdrojem kontaminace v celém systému.

Vodní kapaliny obecně obsahují inhibitory koroze, avšak jakýkoli nechráněný kovový povrch, který není ponořen do kapaliny, bude napadán párou vznikající při odpařování.

Požární odolnost vodních kapalin závisí na obsahu vody, takže vypařování vody snižuje požární odolnost. Vypařování také ovlivňuje viskozitu – u vodno-glykolu ztráta vody zvyšuje viskozitu; u emulze HFB ztráta vody snižuje viskozitu a může způsobit nestabilitu emulze. Aby byla udržena optimální požární odolnost a vhodná viskozita, musí být obsah vody ve vodních požárně odolných kapalinách pravidelně kontrolován a udržován v úzkém koncentračním rozmezí.

Obrázek 4-11: Vypařování vody z vodních kapalin. Vypařování snižuje požární odolnost, mění viskozitu a umožňuje kondenzaci páry na kovových površích, čímž může vzniknout rez.

Syntetická požárně odolná hydraulická kapalina (HFDR)

Syntetická požárně odolná hydraulická kapalina je uměle vyrobený olej, který se vyznačuje vysokou požární odolností, přičemž jeho mazací vlastnosti jsou podobné petrolejovému oleji. Nejčastěji používanou syntetickou požárně odolnou kapalinou je fosfátový ester.

Poznámka: Syntetickou ohnivzdornou kapalinu nesmíte míchat se silikonovými pryskyřicemi, silikátovými estery, dijsoučinovými estery, estery polyolů, polyethery nebo jinými syntetickými kapalinami. Tyto syntetické sloučeniny mohou mít specifické vlastnosti potřebné pro určité aplikace, avšak obecně se nepovažují za ohnivzdorné.

Fosfátová esterová kapalina dobře funguje za vysokého tlaku a má vynikající odolnost proti požáru, avšak je drahá. V systémech s vysokým tlakem, kde je vyžadována odolnost proti požáru, lze kvůli nákladům na fosfátové estery použít směs fosfátových esterů a petrolejového oleje. Tato směs poskytuje systému potřebné mazání, avšak její odolnost proti požáru není tak dobrá jako u čistých fosfátových esterů.

Porovnání vodních a syntetických ohnivzdorných kapalin

Při porovnávání vodních a syntetických ohnivzdorných kapalin:

6. Syntetické kapaliny mají lepší mazací vlastnosti a umožňují provoz za vyššího tlaku.
7. Syntetické kapaliny jsou dražší.
8. Syntetické kapaliny mají lepší odolnost proti požáru.
9. Fosfátový ester má teplotu vzplanutí přibližně 455 °F (235 °C), teplotu hoření přibližně 665 °F (352 °C) a teplotu samozápalu přibližně 1 150 °F (621 °C).

Vodní kapaliny nevykazují odolnost vůči požáru prostřednictvím teploty vzplanutí a teploty hoření – protože tyto kapaliny obsahují vodu. Teplota samozápalu vodno-glykolové kapaliny je přibližně 1 100 °F (593 °C); u emulze HFB činí teplota samozápalu přibližně 825 °F (440,6 °C).

Obrázek 4-14 Čtyři typy požárně odolných kapalin a jejich skladovací bubny. Zleva: syntetická (fosfátový ester), směs fosfátového esteru a oleje, emulze HFB a vodno-glykolová kapalina.

Problémy s požárně odolnými hydraulickými kapalinami

Použití požárně odolných kapalin v hydraulických systémech vyvolává určité problémy, například neslučitelnost se těsněními a ochrannými povlaky, pěnu a zadržování vzduchu a usazování.

Slučitelnost požárně odolných kapalin

Nejčastějším materiálem pro dynamická těsnění v systémech s petrolejovým olejem je akrylonitril-butadienový kaučuk (Buna-N). Tento materiál je také kompatibilní s emulzí HFB a vodným glykolem. Při přepnutí systému z petrolejového oleje na emulzi HFB nebo vodný glykol není nutné stávající těsnění z akrylonitril-butadienového kaučuku vyměňovat. Pokud však dochází k přepnutí na syntetickou kapalinu, např. fosfátový ester, je výměna těsnění vyžadována.

Při přepnutí z petrolejového oleje na vodní hydraulickou kapalinu mohou vzniknout problémy s ochrannými povlaky. Pokud je vnitřek nádrže chráněn povlakem nebo nátěrem kompatibilním s petrolejovým olejem, může vodní kapalina tyto povlaky rozpustit.

Voda-glykol a některé chemické koncentráty jsou nekompatibilní s určitými kovy. Mohou korodovat zinek, kadmium, hořčík a některé slitiny hliníku, čímž vzniká lepivý škvárový odpad, který uzavírá otvory ventilů a filtry a může způsobit zaseknutí zdvihového tělesa ventilu. Proto se doporučuje nepoužívat součásti obsahující tyto kovy nebo povrchově pokryté těmito kovy ve spojení s vodou-glykolem. Mezi takové součásti mohou patřit elektrolyticky pozinkované trubky, filtrační síťky pozinkované nebo pokryté kadmiem, potrubní armatury a příslušenství nádrží.

Běžný materiál těsnění z akrylonitril-butadienového kaučuku (NBR), používaný pro dynamická těsnění v systémech s minerálním olejem, není vhodný pro fosfátové estery ani jejich směsi – tyto kapaliny vyžadují fluorokaučuk (Viton), pryž na bázi epoxidových pryskyřic nebo jiné kompatibilní těsnicí materiály.

Syntetické ohnivzdorné kapaliny mohou rozpouštět barvy a lakové povlaky, které jsou kompatibilní s minerálním olejem, avšak nekorodují běžné kovy používané v hydraulických systémech.

Pěna a zadržování vzduchu v ohnivzdorných kapalinách

Ve srovnání s petrolejem jsou vodní a syntetické ohnivzdorné kapaliny náchylnější k udržování vzduchu a pěnění. Po návratu pracovní kapaliny do nádrže potřebuje ohnivzdorná kapalina delší dobu v nádrži na uvolnění všech nahromaděných bublinek vzduchu.

Proto by měly systémy používající ohnivzdorné kapaliny mít větší nádrž než systémy používající petrolej.

usazování v ohnivzdorných kapalinách

Když se ohnivzdorná kapalina vrací do nádrže, snáze než petrolej udržuje plavající kontaminanty. Kapalina by měla umožnit usazení jakéhokoli kontaminantu vhodné velikosti na dno nádrže, avšak v ohnivzdorných kapalinách se kontaminanty usazují méně snadno.

Proto je při použití hydraulické ohnivzdorné kapaliny v systému prvním krokem zvážit zavedení účinných opatření pro čištění kapaliny, přičemž nesmí být opomnuty ani magnetické filtry.

Příručka pro údržbu

Uchovávání

Ukládání ohnivzdorné hydraulické kapaliny je v podstatě stejné jako u petrolejového oleje – sudky by měly být ukládány na boku, aby se na jejich vrcholu nekumulovala voda a nedošlo k jejímu prosakování dovnitř.

U emulze HFB platí dodatečný požadavek na skladování: protože opakované cykly zmrazování a rozmrazování ovlivňují její stabilitu, je třeba ji během skladování pečlivě chránit před zamrznutím.

Přečerpávání kapaliny ze sudu do nádrže

Přečerpávání kapaliny ze skladovacích sudů do nádrže je dalším důležitým krokem. Před vyjmutím zátky ze sudu očistěte víko sudu a připravte veškeré vybavení a nástroje potřebné pro proces přečerpávání: pružnou hadici, přečerpávací čerpadlo, nálevku, filtr pro plnění nádrže a ruce obsluhy. Zkontrolujte, zda je na sudu správně uveden název značky a viskozita kapaliny.

Pokud je pro přečerpávání ohnivzdorné kapaliny použito čerpadlo, ujistěte se, že v čerpadle není žádný zbytkový objem jiného typu kapaliny a že materiály čerpadla i jeho příslušenství jsou s touto kapalinou kompatibilní.

Po naplnění nádrže ohnivzdornou kapalinou je třeba ji udržovat a monitorovat v předepsaných intervalech. Údržba oleje zahrnuje doplňování do minimální úrovně, odstraňování netěsností a výměnu filtračních prvků.

Vodní hydraulickou kapalinu je třeba pravidelně kontrolovat na obsah vody – koncentrace musí být udržována v velmi úzkém rozmezí, jinak dojde ke změně viskozity a snížení ohnivzdornosti.

Obecně se nedoporučuje přidávat vodu do emulze HFB, protože to vyžaduje proces znovu-emulgace. Přidání vody do roztoku voda-glykol je běžné, avšak nesmí se provádět jednoduše tak, že se do nádrže napustí voda z zahradní hadice. Doplňovací voda nesmí obsahovat minerální usazeniny, které by systém kontaminovaly. Pro roztoky voda-glykol je vhodná destilovaná nebo deionizovaná voda; množství přidané vody by mělo být určeno laboratorní analýzou vzorku kapaliny.

* HFA se vysokotlakých systémů používá jen zřídka kvůli velmi špatnému mazání; limit tlaku je spíše praktický než technický.