El aceite a base de petróleo es un excelente lubricante, por lo que los sistemas que lo utilizan como medio de transmisión de energía pueden esperar una larga y fiable vida útil. Sin embargo, en muchos sistemas y aplicaciones, el aceite a base de petróleo presenta un inconveniente importante: bajo presión, el aceite puede salir proyectado por fugas y generar una neblina (spray de aceite). Esta neblina se ha convertido en la causa de numerosos incendios industriales.

Cuando normalmente utilizamos aceite a base de petróleo, el riesgo de incendio no es muy elevado, ya que el aceite mineral no se inflama fácilmente a temperatura ambiente y posee una capacidad de extinción de llamas similar a la de una cerilla de madera. No obstante, cuando las tuberías de alta presión presentan pequeñas fugas, el aceite se expulsa en forma de una fina neblina. La neblina es una mezcla altamente inflamable que puede inflamarse con mucha facilidad; este tipo de fuga puede considerarse análoga a un inyector de combustible.

En entornos industriales con riesgo de incendio, la primera preocupación es la seguridad de los trabajadores y la capacidad de mantener la producción sin incendios accidentales. Si el entorno puede generar fuentes de ignición accidentales, se requieren fluidos hidráulicos resistentes al fuego. El uso de tales fluidos incrementa los costos operativos (los fluidos resistentes al fuego son más caros que el aceite mineral) y reduce la vida útil de los componentes.

El objetivo de este capítulo es identificar los fluidos hidráulicos resistentes al fuego comúnmente utilizados en los sistemas hidráulicos, analizar algunos problemas asociados a su empleo y proporcionar directrices de mantenimiento.

Determinación de la resistencia al fuego

Los fluidos resistentes al fuego no son incombustibles: tal como sugiere su nombre, simplemente son difíciles de inflamar. Si un fluido resistente al fuego se calienta a una temperatura suficientemente alta, finalmente se inflamará.

La resistencia al fuego de un fluido específico se determina mediante tres mediciones técnicas: punto de inflamación, punto de ignición y temperatura de autoignición. El fluido de referencia en las siguientes tres descripciones de ensayos es el aceite hidráulico a base de petróleo.

Punto de Inflamación

El punto de inflamación de un fluido es la temperatura a la que debe calentarse para que libere suficiente vapor desde su superficie como para inflamarse si se aplica una llama. En el caso del aceite hidráulico a base de petróleo, si se calienta a 350–450 °F (176,6–232,2 °C), se libera suficiente vapor para inflamarse al aplicar una llama. Sin embargo, una vez retirada la llama, la combustión cesa.

Punto de ignición

El punto de ignición es la temperatura a la que debe calentarse el aceite para que siga ardiendo tras retirar la llama de ensayo. Por encima de esta temperatura, se libera suficiente vapor desde la superficie del aceite de modo que, una vez inflamado, este sigue ardiendo por sí mismo incluso después de retirar la fuente de llama.

Temperatura de autoignición

La temperatura de autoignición (AIT) es la temperatura a la que el aceite se inflama por sí mismo sin necesidad de una llama o chispa externa. En el caso del aceite hidráulico derivado del petróleo, si se calienta a 500–700 °F (260–371 °C), se inflama espontáneamente.

Los fluidos clasificados como resistentes al fuego tienen puntos de inflamación, puntos de ignición y temperaturas de autoignición más altos que los aceites a base de petróleo.

Tipos de fluidos hidráulicos resistentes al fuego

Los fluidos resistentes al fuego pueden dividirse en dos categorías principales: a base de agua y sintéticos.

Fluidos hidráulicos a base de agua

El primer medio de trabajo hidráulico fue el agua. El agua presenta ciertas desventajas (especialmente en cuanto a lubricación), pero es no inflamable; por tanto, el enfoque original cuando se requería resistencia al fuego consistía simplemente en volver a utilizar agua. Sin embargo, como se necesita cierta lubricación, se emulsionaron juntas el aceite y el agua.

Emulsión de agua en aceite (emulsión A/E)

Este es un fluido ignífugo a base de agua, compuesto de agua y aceite. No se trata de una solución, ya que el aceite y el agua no se disuelven entre sí. En este fluido, el aceite se dispersa en gotitas extremadamente finas mediante un emulsionante químico y se distribuye uniformemente en el medio acuoso portador, lo que mejora su capacidad lubricante. Cuando este fluido entra en contacto con una llama, el agua se convierte en vapor y sofoca el fuego.

Este fluido bifásico agua/aceite se denomina emulsión. Durante el período en que este tipo de fluido se utilizó ampliamente, la proporción típica era del 60 % de agua al 40 % de aceite, con el agua como fase principal y el aceite como gotitas dispersas.

Fluido de Alta Base Acuosa (HFA)

Este es un fluido resistente al fuego en el que el agua es el componente principal. Actualmente, salvo en sistemas donde se pierden grandes cantidades de fluido de trabajo debido a fugas, este tipo rara vez se utiliza en sistemas hidráulicos; los sistemas que lo emplean intercambian una vida útil reducida de los componentes por alguna ventaja económica, ya que es relativamente económico (el agua representa al menos el 90 % del contenido).

Una emulsión elaborada con un contenido de aceite del 1–10 % se denomina fluido de base acuosa alta (solución de aceite en agua). Si alguien indica que su sistema utiliza una «solución al 5 % de aceite», significa que contiene un 95 % de agua y un 5 % de aceite, o una concentración química de 95:5.

Emulsión de aceite en agua (HFB)

Las emulsiones modernas de agua/aceite utilizadas en sistemas hidráulicos son fluidos de color blanco lechoso compuestos por un 60 % de aceite y un 40 % de agua; la proporción está invertida en comparación con el tipo HFA anterior (60 % de agua y 40 % de aceite). Dado que el componente principal de este fluido es el aceite, mientras que el agua constituye la fase dispersa, la emulsión HFB ofrece una mejor lubricación que la HFA, aunque su resistencia al fuego se reduce ligeramente.

viscosidad de las emulsiones agua/aceite

Al igual que el aceite mineral, la viscosidad es una propiedad importante de las emulsiones agua/aceite. Dado que el fluido HFA contiene al menos un 90 % de agua, su viscosidad es esencialmente la del agua, lo que lo convierte en un lubricante relativamente deficiente.

Por otro lado, aunque la emulsión HFB está compuesta aproximadamente por un 60 % de aceite, esto no significa que su viscosidad sea igual a la del aceite base. Debido al efecto de cizallamiento entre las dos fases, la emulsión HFB presenta una viscosidad inferior a la esperada. Para garantizar una lubricación adecuada de los componentes del sistema, la emulsión HFB utilizada debe tener una viscosidad mayor que la del aceite mineral normalmente empleado en dicho sistema. Por ejemplo, si un sistema utiliza aceite mineral de 150 SUS (32 cSt) a 100 °F (37,7 °C), la emulsión HFB debe tener una viscosidad de 375 SUS (80,9 cSt) a 100 °F (37,7 °C).

Cuando el fluido de trabajo pasa a través de la bomba hidráulica y del sistema, el efecto de cizallamiento entre las dos fases provoca que la emulsión HFB muestre una disminución de su viscosidad. Para garantizar una buena lubricación de los componentes, la viscosidad de la emulsión HFB debe ser mayor que la viscosidad del aceite mineral normal para ese sistema.

Problemas con las emulsiones de aceite en agua

El almacenamiento de fluidos resistentes al fuego a base de agua en un depósito puede causar problemas. En el caso de la emulsión HFB, los dos problemas principales son la separación de fases y el crecimiento bacteriano.

Separación de fases

Las emulsiones HFB no están diseñadas para funcionar a bajas temperaturas. A 32 °F (0 °C) comienza a formarse hielo; a aproximadamente -10 °F (-23,3 °C) la emulsión se congela por completo. Los ciclos de congelación-descongelación provocan la separación de las dos fases: en el punto de congelación del agua (32 °F / 0 °C), algunas de las gotas de agua de la emulsión se solidifican en cristales de hielo. Al calentarse el sistema y fundirse el hielo, la emulsión no se vuelve a formar necesariamente; en este momento, el fluido hace que los componentes sean más propensos a la corrosión y deja de ser un buen lubricante.

Los ciclos repetidos de congelación-descongelación provocan la separación permanente de las fases acuosa y oleosa. Una vez separadas, es muy difícil, cuando no imposible, volver a llevar ambas fases a un estado emulsionado, y la resistencia al fuego se convierte en una preocupación seria.

Comprobación de la separación de fases

La inspección visual se utiliza para comprobar si la emulsión ha sufrido separación de fases. Es difícil determinar en el depósito si las dos fases se han separado; tome una muestra del aceite, viértala en un frasco de boca ancha y déjela reposar durante un tiempo. Observará que cualquier agua libre se sedimenta en el fondo del frasco.

Si sospecha que la separación de fases es grave, póngase en contacto con su proveedor de fluidos; es posible que recomiende sustituir el fluido.

Crecimiento Bacteriano

En condiciones adecuadas de temperatura, las bacterias pueden proliferar en la emulsión HFB. Un elevado número de bacterias puede obstruir los orificios de las válvulas de control de flujo y los elementos filtrantes; todos estos efectos hacen que el sistema sea poco fiable y provoquen su mal funcionamiento.

Muchas emulsiones HFB contienen aditivos bacteriostáticos para prevenir este fenómeno.

Detección del crecimiento bacteriano

El crecimiento bacteriano en la emulsión HFB puede detectarse visualmente y por olfato. Si las bacterias han proliferado en el fluido, el filtro de entrada parece recubierto por una capa viscosa y gelatinosa, y el fluido desprende un olor fétido.

Si hay crecimiento bacteriano en la emulsión, es probable que el fluido deba ser reemplazado.

Glicol-agua (HFC)

El glicol-agua es otro tipo de fluido resistente al fuego a base de agua. Está compuesto por agua y glicol (glicol etilénico), y su estructura química es muy similar a la del anticongelante para automóviles.

El glicol-agua suele tener color rojo o rosado. Normalmente contiene un 60 % de glicol y un 40 % de agua, con aditivos espesantes químicos añadidos para aumentar su viscosidad. Dado que el glicol se disuelve efectivamente en agua, este fluido es monofásico: a diferencia de las emulsiones, no contiene gotas separadas de agua y glicol cuando se observa al microscopio. El glicol-agua funciona bien a bajas temperaturas.

Comparación entre la emulsión HFB y el glicol-agua

Al comparar la emulsión HFB y el glicol-agua, encontramos lo siguiente:

1. La estabilidad de la emulsión HFB es inferior a la de la solución de glicol-agua.
2. Una emulsión HFB estable ofrece una mejor lubricación.
3. La emulsión HFB es más económica.
4. El glicol-agua presenta una mayor resistencia al fuego.
5. El agua-glicol funciona mejor a bajas temperaturas.

Problemas con los fluidos hidráulicos a base de agua

El uso de un fluido resistente al fuego a base de agua en un depósito hidráulico genera algunos problemas. Dos problemas principales para la emulsión HFB son la reducción de la vida útil de los componentes y la evaporación del agua.

Lubricación con fluidos a base de agua

Dado que los fluidos resistentes al fuego a base de agua contienen una alta proporción de agua para lograr dicha resistencia, su capacidad lubricante es mucho menor que la del aceite mineral; se trata de una limitación inherente.

Aunque contienen aditivos lubricantes y aditivos oleosos, siguen reduciendo la vida útil de los componentes durante su uso. Debido a este efecto adverso, los fluidos resistentes al fuego a base de agua generalmente no se utilizan en sistemas que operan por encima de 1800 psi (124 bar).

Entre los fluidos HFA, la emulsión HFB y el agua-glicol, la emulsión HFB estable presenta la mejor lubricación; le sigue el agua-glicol y, finalmente, el HFA.

Tabla 4-1: Factores relativos de reducción de la lubricación para fluidos resistentes al fuego a base de agua frente al aceite mineral. Un factor más elevado indica un mayor desgaste de los componentes.

Evaporación de agua

Muchos fabricantes de fluidos recomiendan que la temperatura máxima de funcionamiento para los fluidos hidráulicos a base de agua sea de 140 °F (60 °C) y, preferiblemente, se mantenga por debajo de 120 °F (49 °C). Por encima de 140 °F (60 °C), puede producirse una evaporación excesiva del agua.

Cuando el agua se evapora del fluido a base de agua, ocurren varios fenómenos indeseables. El vapor de agua que escapa del líquido se condensa sobre las superficies de componentes de hierro sin protección y provoca óxido. Tras un período de tiempo, dicho óxido se desprende en forma de escamas y se convierte en una fuente de contaminación en todo el sistema.

Los fluidos a base de agua contienen generalmente inhibidores de la corrosión, pero cualquier superficie metálica sin protección que no esté sumergida en el fluido será atacada por el vapor generado durante la evaporación.

La resistencia al fuego de los fluidos a base de agua depende del contenido de agua, por lo que la evaporación del agua reduce la resistencia al fuego. La evaporación también afecta la viscosidad: en los fluidos de glicol acuoso, la pérdida de agua aumenta la viscosidad; en las emulsiones HFB, la pérdida de agua disminuye la viscosidad y puede hacer que la emulsión se vuelva inestable. Para mantener una resistencia óptima al fuego y una viscosidad adecuada, el contenido de agua de los fluidos ignífugos a base de agua debe comprobarse periódicamente y mantenerse dentro de un estrecho margen de concentración.

Figura 4-11: Evaporación del agua de los fluidos a base de agua. La evaporación reduce la resistencia al fuego, modifica la viscosidad y permite que el vapor se condense sobre las superficies metálicas y cause corrosión.

Fluido hidráulico sintético ignífugo (HFDR)

El fluido hidráulico sintético ignífugo es un aceite fabricado artificialmente, destacado por su elevada resistencia al fuego, mientras que su lubricación es similar a la del aceite mineral. El fluido ignífugo sintético más utilizado es el éster fosfórico.

Nota: El fluido sintético resistente al fuego no debe mezclarse con resinas de silicona, ésteres de silicato, ésteres de ácidos dibásicos, compuestos de ésteres de poliol, poliéteres u otros fluidos sintéticos. Estos compuestos sintéticos pueden tener propiedades específicas necesarias para ciertas aplicaciones, pero en general no se consideran resistentes al fuego.

El fluido de éster fosfórico funciona bien a alta presión y presenta una excelente resistencia al fuego, aunque es costoso. En sistemas de alta presión con requisitos de resistencia al fuego, debido al elevado costo del éster fosfórico, puede utilizarse una mezcla de éster fosfórico y aceite mineral. Esta mezcla proporciona la lubricación requerida por el sistema, pero su resistencia al fuego no es tan buena como la del éster fosfórico puro.

Comparación entre fluidos resistentes al fuego a base de agua y fluidos sintéticos

Al comparar fluidos resistentes al fuego a base de agua y fluidos sintéticos:

6. Los fluidos sintéticos ofrecen una mejor lubricación y pueden operar a mayor presión.
7. Los fluidos sintéticos son más costosos.
8. Los fluidos sintéticos tienen una mejor resistencia al fuego.
9. El fluido de éster fosfórico tiene un punto de inflamación de aproximadamente 455 °F (235 °C), un punto de ignición de aproximadamente 665 °F (352 °C) y una temperatura de autoignición de aproximadamente 1150 °F (621 °C).

Los fluidos a base de agua no expresan resistencia al fuego mediante el punto de inflamación ni el punto de ignición, ya que contienen agua. La temperatura de autoignición del glicol acuoso es de aproximadamente 1100 °F (593 °C); para la emulsión HFB, la temperatura de autoignición es de aproximadamente 825 °F (440,6 °C).

Figura 4-14: Cuatro tipos de fluidos resistentes al fuego y sus tambores de almacenamiento. De izquierda a derecha: sintético (éster fosfórico), mezcla de éster fosfórico y aceite, emulsión HFB y glicol acuoso.

Problemas con los fluidos hidráulicos resistentes al fuego

El uso de fluidos resistentes al fuego en sistemas hidráulicos genera ciertos problemas, entre ellos: compatibilidad con juntas y recubrimientos protectores, formación de espuma y retención de aire, y sedimentación.

Compatibilidad de los fluidos resistentes al fuego

El material más común para juntas dinámicas en sistemas de aceite petrolero es la goma nitrílica (Buna-N). Este material también es compatible con la emulsión HFB y con el fluido a base de agua y glicol. Cuando un sistema cambia de aceite petrolero a emulsión HFB o a fluido a base de agua y glicol, si las juntas existentes son de goma nitrílica, no es necesario reemplazarlas. Sin embargo, si se cambia a un fluido sintético, como el éster fosfórico, sí es necesario reemplazar las juntas.

Al cambiar de aceite petrolero a un fluido hidráulico a base de agua, pueden surgir problemas con los recubrimientos protectores. Si el interior del depósito está protegido con un recubrimiento o pintura compatible con aceite petrolero, el fluido a base de agua podría disolver dichos recubrimientos.

Los fluidos a base de agua-glicol y algunos concentrados químicos son incompatibles con ciertos metales. Pueden corroer el cinc, el cadmio, el magnesio y algunas aleaciones de aluminio, generando escorias adherentes que obstruyen los orificios de las válvulas y los filtros, y pueden provocar el agarrotamiento del émbolo de la válvula. Por lo tanto, se recomienda no utilizar componentes que contengan estos metales o que estén recubiertos con ellos en sistemas que empleen agua-glicol. Dichos componentes pueden incluir tuberías galvanizadas, mallas de filtro recubiertas con cinc o cadmio, accesorios para tuberías y accesorios para depósitos.

El material común de juntas de goma de nitrilo utilizado para sellos dinámicos en sistemas de aceite mineral no es compatible con los ésteres fosfóricos ni con sus mezclas; estos fluidos requieren elastómeros fluorados (Viton), cauchos basados en epoxi u otros materiales de sellado compatibles.

Los fluidos sintéticos resistentes al fuego pueden disolver pinturas y barnices compatibles con el aceite mineral, pero no corroen los metales comunes presentes en un sistema hidráulico.

Espuma y retención de aire en fluidos resistentes al fuego

En comparación con el aceite mineral, los fluidos resistentes al fuego a base de agua y sintéticos son más propensos a retener aire y espumar. Tras regresar el fluido de trabajo al depósito, el fluido resistente al fuego necesita más tiempo en el depósito para liberar todas las burbujas de aire acumuladas.

Por lo tanto, los sistemas que utilizan fluidos resistentes al fuego deben tener un depósito mayor que los sistemas que utilizan aceite mineral.

sedimentación en fluidos resistentes al fuego

Cuando el fluido resistente al fuego regresa al depósito, retiene con mayor facilidad los contaminantes flotantes en comparación con el aceite mineral. El fluido debería permitir que cualquier contaminante de tamaño adecuado se sedimente en el fondo del depósito; sin embargo, en los fluidos resistentes al fuego, los contaminantes no se sedimentan con tanta facilidad.

Por lo tanto, cuando un sistema utiliza un fluido hidráulico resistente al fuego, lo primero que debe considerarse es adoptar medidas eficaces de filtración del fluido, sin olvidar los filtros magnéticos.

Líneas de Mantenimiento

Almacenamiento

El almacenamiento del fluido hidráulico resistente al fuego es esencialmente el mismo que el del aceite mineral: los tambores deben almacenarse de lado para evitar que el agua se acumule en la parte superior y penetre en su interior.

Para la emulsión HFB existe un requisito adicional de almacenamiento: dado que los ciclos repetidos de congelación y descongelación afectan su estabilidad, debe evitarse cuidadosamente su congelación durante el almacenamiento.

Transferencia del fluido del tambor al depósito

La transferencia del fluido desde los tambores de almacenamiento al depósito es otro paso importante. Antes de retirar el tapón del tambor, limpie la tapa del tambor y prepare todos los equipos y herramientas necesarios para el proceso de transferencia: manguera flexible, bomba de transferencia, embudo, filtro de llenado del depósito y las manos del operario. Verifique que el nombre de la marca y la viscosidad del fluido en el tambor sean correctos.

Si se utiliza una bomba de transferencia para mover el fluido resistente al fuego, asegúrese de que no quede ningún residuo de un fluido de tipo distinto en la bomba y de que los materiales de la bomba y sus accesorios sean compatibles con dicho fluido.

Después de introducir el fluido resistente al fuego en el depósito, debe mantenerse y supervisarse a intervalos especificados. El mantenimiento del aceite incluye: rellenar hasta el nivel mínimo, solucionar fugas y sustituir los elementos filtrantes.

El fluido hidráulico a base de agua debe comprobarse periódicamente para determinar su contenido de agua; la concentración debe mantenerse dentro de un margen muy estrecho, ya que, de lo contrario, se verán afectadas la viscosidad y la resistencia al fuego.

En general, no se recomienda añadir agua a una emulsión HFB, ya que esto requiere un proceso de reemulsificación. Añadir agua a una solución de glicol-agua es habitual, pero no debe hacerse simplemente conectando una manguera de jardín al depósito. El agua de reposición no debe contener depósitos minerales que contaminen el sistema. El agua destilada o desionizada es adecuada para las soluciones de glicol-agua; la cantidad a añadir debe determinarse mediante análisis de laboratorio de la muestra de aceite.

* El HFA rara vez se utiliza en sistemas de alta presión debido a su lubricación muy deficiente; el límite de presión es más una restricción práctica que técnica.