Kun käytämme tavallisesti petroliinipohjaista öljyä, tulvariski ei ole kovin korkea – koska mineraaliöljy ei sytty helposti huoneenlämmössä ja sillä on liekkiä sammuttava vaikutus, joka muistuttaa puun tikkua. Kun kuitenkin korkeapaineiset putket saavat pieniä vuotoja, öljy suihkutuu ulos hienona sumuna. Sumu on erittäin syttyvä seos, joka syttyy hyvin helposti – tällaista vuotoa voidaan pitää polttoainehajottimena.
Teollisuusympäristöissä, joissa on tulvaara, ensisijainen huolenaihe on työntekijöiden turvallisuus ja tuotannon ylläpitäminen ilman sattumalta syttyviä paloja. Jos ympäristössä voi syntyä sattumalta syttyviä sytytyslähteitä, tarvitaan tulenvastaisia hydrauliikkaliuoksia. Tällaisten liuosten käyttö lisää käyttökustannuksia (tulenvastaiset liuokset ovat kalliimpia kuin mineraaliöljyt) ja vähentää komponenttien käyttöikää.
Tämän luvun tarkoituksena on tunnistaa yleisesti käytetyt tulenvastaiset hydrauliikkaliuokset hydraulijärjestelmissä, käsitellä joitakin niiden käytön ongelmia sekä antaa huoltosuositukset.

Tulenvastaiset liuokset eivät ole tulenvastaavia — kuten niiden nimi viittaa, ne ovat vain vaikeasti syttyviä. Jos tulenvastainen liuos kuumennetaan riittävän korkeaan lämpötilaan, se syttyy lopulta.
Tietyn nesteen tuleenvastuskyky määritetään kolmella teknisellä mittauksella: pilkkupisteellä, syttymissulalla ja itsestään syttymislämpötilalla. Seuraavissa kolmessa testikuvausosassa viitattu vertailuneste on maakaasuperäinen hydraulinen öljy.
Nesteen pilkkupiste on lämpötila, johon se on lämmitettävä ennen kuin sen pinnasta vapautuu riittävästi höyryä syttymään, kun siihen sovelletaan liekkiä. Maakaasuperäiselle hydrauliselle öljylle riittävästi höyryä vapautuu syttymään, kun sitä lämmitetään 350–450 °F (176,6–232,2 °C):iin. Kun kuitenkin liekki poistetaan, palaminen pysähtyy.

Syttymissulka on lämpötila, johon öljy on lämmitettävä niin, että se jatkaa palamista myös testiliekkin poistamisen jälkeen. Tätä lämpötilaa korkeammalla öljyn pinnasta vapautuu riittävästi höyryä, joka syttyy ja jatkaa palamistaan itsenäisesti myös liekkilähteestä poistumisen jälkeen.
Itsepalamislämpötila (AIT) on lämpötila, jossa öljy syttyy itse ilman ulkoista liekkiä tai kipinää. Maakaasupohjaiselle hydrauliikkaöljylle se tapahtuu, kun öljyä kuumennetaan 500–700 °F:seen (260–371 °C), jolloin se syttyy itsestään.

Palonkestäviksi luokitelluilla nesteillä on korkeammat leimahdus- ja syttymislämpötilat sekä itsepalamislämpötilat kuin maakaasupohjaisilla öljyillä.
Palonkestävät nesteet voidaan jakaa kaikkiin kahden suuren ryhmän: vesisisältöisiin ja synteettisiin.
Ensimmäinen hydrauliikassa käytetty työaine oli vesi. Vedellä on joitakin heikkouksia (erityisesti voitelussa), mutta se ei ole syttyvä, joten alkuperäinen ratkaisu palonkestävyyden tarpeessa oli yksinkertaisesti palata takaisin veteen. Koska kuitenkin tarvitaan jonkin verran voitelua, öljy ja vesi emulsioituin toisiinsa.
Tämä on veteen perustuva palonsulkuaine, joka koostuu vedestä ja öljystä. Se ei ole liuos — vesi ja öljy eivät liukoudu toisiinsa. Tässä aineessa kemiallinen emulgointiaine hajottaa öljyn erinomaisen pieniksi pisaroiksi ja jakaa ne tasaisesti vesisäiliössä, mikä parantaa sen voitelulaatua. Kun tämä aine tulee kosketukseen liekkin kanssa, vesi muuttuu höyryksi ja sammuttaa liekin.
Tätä kahden vaiheen vesi/öljy-seosta kutsutaan emulsioiksi. Aikana, jolloin tätä tyyppistä seosta käytettiin laajalti, tyypillinen suhde oli 60 % vettä ja 40 % öljyä, jolloin vesi oli päävaihe ja öljy hajautettuja pisaroita.

Tämä on tulenkestävä neste, jonka pääkomponenttina on vesi. Tällä hetkellä tätä nestetyyppiä käytetään harvoin hydraulijärjestelmissä, paitsi järjestelmissä, joissa vuodot aiheuttavat suuria määriä työnesteen menetyksiä — järjestelmät, jotka käyttävät tätä nestettä, vaihtavat lyhyemmän komponenttien käyttöikää taloudelliseen etuun, koska se on suhteellisen halpaa (veden osuus on vähintään 90 %).
Emulsio, jossa öljyn osuus on 1–10 %, kutsutaan korkean vesisisältöisen nesteenä (vesi-öljy-liuos). Jos joku sanoo, että heidän järjestelmänsä käyttää "5 %:n öljyliuosta", tarkoitetaan sitä, että liuoksessa on 95 % vettä ja 5 % öljyä eli kemiallinen pitoisuussuhde on 95:5.

Nykyiset hydraulijärjestelmissä käytetyt vesi/öljy-emulsiot ovat maidonvalkoisia nesteitä, jotka koostuvat 60 %:sta öljyä ja 40 %:sta vettä — suhde on päinvastainen kuin aiemmassa HFA-tyypissä (60 % vettä ja 40 % öljyä). Koska tämän nesteen pääkomponenttina on öljy ja vesi on hajautettu vaihe, HFB-emulsio tarjoaa parempaa voitelua kuin HFA, mutta sen tulenkestävyys on hieman heikentynyt.

Kuten maakaasuöljyssä, viskositeetti on tärkeä ominaisuus veden ja öljyn emulsioille. Koska HFA-neste sisältää vettä vähintään 90 %, sen viskositeetti vastaa olennaisesti veden viskositeettia – mikä tekee siitä suhteellisen huonon voiteluaineen.
Toisaalta vaikka HFB-emulsio koostuisikin noin 60 % öljystä, tämä ei tarkoita, että sen viskositeetti olisi yhtä suuri kuin perusöljyn viskositeetti. Kahden faasin välinen leikkausvaikutus aiheuttaa HFB-emulsiossa alhaisemman viskositeetin kuin odotettaisiin. Jotta järjestelmän komponenttien riittävä voitelu voidaan taata, käytettävän HFB-emulsion viskositeetin tulisi olla korkeampi kuin järjestelmässä normaalisti käytetyn maakaasuöljyn viskositeetti. Esimerkiksi, jos järjestelmässä käytetään 150 SUS (32 cSt) @ 100 °F (37,7 °C) maakaasuöljyä, HFB-emulsion viskositeetin tulisi olla 375 SUS (80,9 cSt) @ 100 °F (37,7 °C).
Kun työneste kulkee hydraulipumpun ja järjestelmän läpi, kahden faasin välinen leikkausvaikutus aiheuttaa HFB-emulsiossa viskositeetin laskua. Komponenttien hyvän voitelun varmistamiseksi HFB-emulsion viskositeetin tulisi olla suurempi kuin normaalisen maakaasuöljyn viskositeetti kyseisessä järjestelmässä.
(Huomautus: ASTM:n viskositeetti–lämpötila-kaaviot eivät sovellu minkään vesi/öljy-emulsion tai yleisesti käytetyn tulenvastaisen hydraulinenesteen viskositeetti–lämpötila-suhteen kuvaamiseen.)

Vesipohjaisten tulenvastaisten nesteiden säilyttäminen säiliössä voi aiheuttaa ongelmia. HFB-emulsiossa kaksi pääongelmaa ovat faasierottuminen ja bakteerikasvu.
HFB-emulsioita ei ole suunniteltu käytettäväksi alhaisissa lämpötiloissa. +32 °F:ssa (0 °C:ssa) jää alkaa muodostua; noin -10 °F:ssa (-23,3 °C:ssa) emulsio jäätyy täysin. Jäätyminen-sulaminen -siklukset aiheuttavat kahden faasin erottumisen: veden jäätymissulassa (+32 °F / 0 °C) osa emulsiossa olevista vesipisaroista jäätyy jääkristalleiksi. Kun järjestelmä lämpenee ja jää sulaa, emulsio ei välttämättä muodostu uudelleen – tässä vaiheessa neste tekee komponenteista alttiimpia ruostumiselle eikä se enää toimi hyvänä voiteluaineena.
Toistuvat jäätyminen-sulaminen -siklukset aiheuttavat veden ja öljyn faasien pysyvän erottumisen. Kun faasit ovat kerran erottuneet, niiden saattaminen takaisin emulsioon on erittäin vaikeaa, ellei mahdotonta, ja tulenvastaisuus muodostuu vakavaan huolenaiheeksi.

Visuaalinen tarkastus käytetään emulsioon mahdollisesti syntyneen faasierottuman havaitsemiseen. Reservuarissa on vaikea havaita, onko kaksi faasia erottautunut — ota öljyä näyte, kaada se leveäsuuun pulloon ja anna sen seistä hetken aikaa. Vapaa vesi laskeutuu pullossa pohjalle.
Jos epäilet, että faasierottuma on vakava, ota yhteys nesteentoejakkaasi — he saattavat suositella nesteen vaihtamista.

Sopivissa lämpötilaolosuhteissa bakteerit voivat kasvaa HFB-emulsiossa. Suuret bakteerimäärät voivat tukkia virtauksen säätöventtiilien aukeamia ja suodatin-elementtejä — kaikki nämä vaikutukset tekevät järjestelmästä epäluotettavan ja aiheuttavat sen toimintahäiriöitä.
Monet HFB-emulsiot sisältävät bakteerikasvua estäviä lisäaineita tämän estämiseksi.

HFB-emulsiossa tapahtunutta bakteerikasvua voidaan havaita visuaalisesti ja hajulla. Jos bakteereja on kasvanut nesteessä, tulo-suodatin näyttää siltä kuin se olisi peitetty viskoosilla limalla, ja neste lähettää pahanhajuista hajua.
Jos emulsiossa esiintyy bakteerikasvua, neste todennäköisesti täytyy vaihtaa.

Vesi-glykoli on toinen tyypillinen veteen perustuva tulenvastainen neste. Se koostuu vedestä ja glykolista (etyyliglykolista), ja sen kemiallinen rakenne on hyvin samankaltainen kuin auton jäähdytysnesteen.
Vesi-glykoli on yleensä punertavan tai vaaleanpunaisen väriä. Sen tyypillinen koostumus on 60 % glykolia ja 40 % vettä, ja viskositeetin lisäämiseksi siihen on lisätty kemiallisia paksuuttavia aineita. Koska glykoli liukenee itse asiassa veteen, tämä neste on yksifaasinen – toisin kuin emulsiot, mikroskoopilla tarkasteltaessa siinä ei ole erillisiä vesi- ja glykolipisaroita. Vesi-glykoli toimii hyvin alhaisissa lämpötiloissa.

Vertailemalla HFB-emulsiota ja vesi-glykolia havaitsemme seuraavaa:

Vesisisäisen palonsuojanesteen käyttö hydraulireservuarissa aiheuttaa joitakin ongelmia. HFB-emulsioon liittyvät kaksi pääongelmaa ovat komponenttien lyhentynyt käyttöikä ja veden haihtuminen.
Koska vesisisäiset palonsuojanesteet sisältävät suuren osuuden vettä saavuttaakseen palonsuojan, niiden voitelukyky on huomattavasti heikompi kuin maakaasun perusteella valmistettujen öljyjen — tämä on niiden luonnollinen heikkous.
Vaikka nesteeseen lisätään voitelu- ja öljyisyyslisäaineita, ne silti lyhentävät komponenttien käyttöikää käytössä. Tämän haitallisesti vaikuttavan ominaisuuden vuoksi vesisisäisiä palonsuojanesteitä ei yleensä käytetä järjestelmissä, joiden paine ylittää 1 800 psi (124 bar).
HFA-nesteiden, HFB-emulsion ja vesi-glykolin joukossa vakaa HFB-emulsio tarjoaa parhaan voitelukyvyn; sen jälkeen tulee vesi-glykoli ja sitten HFA.
|
Neste |
Voitelukyvyn alenemiskerroin (vertailuarvona mineraaliöljy = 1,0) |
|
Maakaasun perusteella valmistettu hydraulinen öljy |
1.0 |
|
HFB (öljy-vesiemulsio) |
2.0 |
|
HFC (vesi-glykoli) |
2.6 |
Taulukko 4-1 Vesipohjaisten palonsuojanesteiden suhteelliset voitelukertoimet verrattuna maakaasuöljyyn. Korkeampi kerroin tarkoittaa suurempaa komponenttikulumaa.
Monet nestevalmistajat suosittelevat, että vesipohjaisten hydraulinenesteiden enimmäiskäyttölämpötila olisi 140 °F (60 °C) ja että lämpötila pidettäisiin mahdollisimman alhaisena, mieluiten alle 120 °F (49 °C). Yli 140 °F (60 °C):n lämpötiloissa voi tapahtua liiallista veden haihtumista.
Kun vesi haihtuu vesipohjaisesta nesteestä, tapahtuu useita ei-toivottavia ilmiöitä. Nesteen haihtuvasta vesihöyrystä muodostuva kosteus tiivistyy suojaamattomille rautakomponenttien pinnalle ja aiheuttaa ruostumista. Ajan myötä ruoste irtoaa pinnalta ja leviää epäpuhtautena koko järjestelmään.
Vesipohjaiset nesteet sisältävät yleensä ruosteenestoaineita, mutta kaikki suojaamaton metallipinta, joka ei ole upotettu nesteeseen, altistuu haihtumisesta syntyvälle höyrylle.
Vesipohjaisten nesteiden tuleenvastuskyky riippuu vesisisällöstä, joten veden haihtuminen heikentää tuleenvastuskykyä. Haihtuminen vaikuttaa myös viskositeettiin – vesi-glykoli-seoksessa veden menetyksen seurauksena viskositeetti kasvaa; HFB-emulsiossa veden menetyksen seurauksena viskositeetti laskee ja emulsio voi muuttua epävakaaksi. Optimaalisen tuleenvastuskyvyn ja sopivan viskositeetin säilyttämiseksi vesipohjaisten tuleenvastustenesteiden vesisisältö on tarkistettava säännöllisesti ja pidettävä tiukassa pitoisuusalueessa.


Kuva 4-11 Vesihaihtuminen vesipohjaisista nesteistä. Haihtuminen heikentää tuleenvastuskykyä, muuttaa viskositeettia ja mahdollistaa höyryn tiukentumisen metallipintojen päälle, mikä aiheuttaa ruostumista.
Synteettinen tuleenvastusteneste on ihmisen valmistama öljy, joka erottuu erinomaisesta tuleenvastuskyvystään, kun taas sen voiteluominaisuudet ovat lähellä maakaasun peräisin olevan öljyn ominaisuuksia. Yleisimmin käytetty synteettinen tuleenvastusteneste on fosfaattiesteri.
Huomautus: Synteettistä tuleenkestävää nestettä ei saa sekoittaa silikoni-harjoihin, silikaattiestereihin, dikarboksyylihappoestereihin, polyoli-estereihin, polyetereihin tai muihin synteettisiin nesteisiin. Nämä synteettiset yhdisteet voivat sisältää tiettyjä ominaisuuksia, joita tarvitaan tietyissä sovelluksissa, mutta niitä ei yleensä pidetä tuleenkestävinä.
Fosfaattiesterneste toimii hyvin korkeassa paineessa ja sillä on erinomainen tuleenkestävyys, mutta se on kallista. Korkeapaineisissa järjestelmissä, joissa vaaditaan tuleenkestävyyttä, fosfaattiesternesteen kustannusten vuoksi voidaan käyttää fosfaattiesternesteen ja maakaasunöljyn seosta. Tämä seos tarjoaa järjestelmälle tarvittavan voitelun, mutta sen tuleenkestävyys ei ole yhtä hyvä kuin puhtaalla fosfaattiesternesteellä.


Vesipohjaisten ja synteettisten tuleenkestävien nesteiden vertailussa:
Vesipohjaiset nesteet eivät ilmaise tulenvastaisuuttaan syttyvyys- ja palopisteen avulla – koska ne sisältävät vettä. Vesi-glykoolin itsepolttopiste on noin 1 100 °F (593 °C); HFB-emulsioille itsepolttopiste on noin 825 °F (440,6 °C).

Kuva 4-14 Neljä tulenvastaisen hydraulinenesteen tyyppiä ja niiden varastointitynnyrit. Vasemmalta oikealle: synteettinen (fosfaattiesteri), fosfaattiesteri-öljyseos, HFB-emulsio ja vesi-glykooli.
Tulenvastaisen nesteen käyttö hydraulijärjestelmissä aiheuttaa tiettyjä ongelmia, kuten tiivistysten ja suojauspinnoitteiden yhteensopivuuden, kuplanmuodostuksen ja ilman pidätymisen sekä sedimentaation.
Yleisin materiaali dynaamisille tiivistelmille öljypohjaisissa järjestelmissä on nitrilikumi (Buna-N). Tämä materiaali on yhteensopiva myös HFB-emulsioon ja vesi-glykoliin. Kun järjestelmä siirtyy öljypohjaisesta nesteestä HFB-emulsioon tai vesi-glykoliin, olemassa olevia nitrilikumitiivistimiä ei tarvitse vaihtaa. Jos taas siirrytään synteettiseen nesteeseen, kuten fosfaattiesteriin, tiivistimien vaihto on pakollinen.
Kun siirrytään öljypohjaisesta nesteestä vesi-pohjaiseen hydraulineesteeseen, voi suojapinnoitteissa esiintyä ongelmia. Jos säiliön sisäpinta on suojattu öljypohjaisen nesteen kanssa yhteensopivalla pinnoitteella tai maalilla, vesi-pohjainen neste saattaa liuottaa nämä pinnoitteet.
Vesi-glykoli- ja jotkin kemialliset konsentraatit ovat yhteensopimattomia tietyiden metallien kanssa. Ne voivat syövyttää sinkkiä, kadmiumia, magnesiumia ja joitakin alumiiniseoksia, tuottaen liimaavaa sulamassa, joka tukkii venttiilien aukeamia ja suodattimia ja voi aiheuttaa venttiilin liukusauvan tarttumista. Siksi suositellaan, että komponentteja, jotka sisältävät näitä metalleja tai on pinnoitettu näillä metalleilla, ei käytetä vesi-glykolilla. Tällaisia komponentteja voivat olla sähkökromatut putket, sinkillä tai kadmiumilla pinnoitetut suodatinverkot, putkenliittimet ja säiliön lisävarusteet.
Yleisesti käytetty nitrilikuminauhaprosessi, jota käytetään dynaamisissa tiivistelmissä öljypohjaisissa järjestelmissä, ei sovellu fosfaattiestereihin tai fosfaattiestereihin perustuviin seoksiin – nämä nesteet vaativat fluoroelastomeeria (Viton), epoksi-pohjaista kumia tai muita yhteensopivia tiivistemateriaaleja.
Synteettinen tulenvastainen neste voi liuottaa maalit ja lakat, jotka ovat yhteensopivia öljypohjaisten nesteiden kanssa, mutta se ei syövytä yleisiä metalleja hydraulijärjestelmässä.

Verrattuna maakaasuöljyyn vesi- ja synteettiperäiset palonkestävät nesteet ovat alttiimpia ilman pidättämiselle ja kuplautumiselle. Kun työneste palaa säiliöön, palonkestävän nesteen täytyy olla säiliössä pidempään, jotta kaikki kertyneet ilmakuplat voitaisiin poistaa.
Siksi palonkestäviä nesteitä käyttävien järjestelmien tulee olla suurempia kuin maakaasuöljyä käyttävien järjestelmien säiliöt.

Kun palonkestävä neste palaa säiliöön, se pitää kiinni kelluvista epäpuhtauksista helpommin kuin maakaasuöljy. Nesteen tulisi mahdollistaa kaikkien asianmukaisen kokoisten epäpuhtausten saostuminen säiliön pohjalle, mutta palonkestävässä nesteessä epäpuhtaudet eivät saostu yhtä helposti.
Siksi, kun järjestelmässä käytetään palonkestävää hydraulinenestettä, ensimmäiseksi tulee harkita tehokkaita nestesuodatusmenetelmiä, ja magneettisuodattimia ei saa unohtaa.

Tulenvastaisen hydrauli-nesteen varastointi on periaatteessa sama kuin maakaasun öljyn — tynnyrit tulisi säilyttää sivullaan, jotta vesi ei kertyisi niiden yläosaan ja vuotaisi sisään.
HFB-emulsioon liittyy lisävarastointivaatimus: toistuvat jäätyminen-sulaminen-kierrat vaikuttavat sen vakautta, joten sitä tulisi varovasti suojella jäätymiseltä varastoinnin aikana.
Nesteen siirto varastotynnyreistä säiliöön on toinen tärkeä vaihe. Ennen tynnyrin kannen avaamista tulee puhdistaa tynnyrin kansi ja valmistaa kaikki nesteen siirtoon tarvittavat laitteet ja työkalut: joustava letku, siirtopumppu, kanava, säiliön täyttösuodatin sekä käyttäjän kädet. Tarkista, että tynnyrissä olevan nesteen merkki ja viskositeetti ovat oikeat.
Jos tulenvastaista nestettä siirretään siirtopumpulla, varmista, että pumpussa ei ole jäännösnestettä muusta nestetyypistä ja että pumppuun käytetyt materiaalit ja liitännät ovat yhteensopivia nesteen kanssa.

Kun palonsuojanestettä on lisätty säiliöön, sitä on huollettava ja seurattava määritellyin väliajoin. Öljyn huolto sisältää: täydentämisen vähimmäistasolle, vuotojen korjaamisen ja suodatin-elementtien vaihdon.
Vesipohjaista hydraulineestettä on tarkistettava säännöllisesti vesisisällön osalta – pitoisuus on pidettävä erittäin kapealla alueella; muuten viskositeetti ja palonsuoja-ominaisuus kärsivät.
Yleensä ei suositella veden lisäämistä HFB-emulsioon, koska tämä vaatii uudelleenemulgointiprosessin. Veden lisääminen vesi-glykooliliuokseen on yleistä, mutta tätä ei saa tehdä yksinkertaisesti ohjaamalla puutarhaputkea säiliöön. Täydentävän veden ei pitäisi sisältää mineraalisaostumia, jotka saastuttaisivat järjestelmän. Tislatun tai de-ionoidun veden käyttö vesi-glykooliliuoksissa on sopivaa; lisättävän määrän määrittää öljynäytteen laboratoriotutkimus.

AVAINKÄSITTEET – LUKU 4
|
Nestetyyppi |
Koodi |
Koostumus |
Max Pressure |
Keskeiset kysymykset |
|
Korkea vesipitoisuus |
HFA |
yli 90 % vettä, 1–10 % öljyä |
noin 700 bar* |
Heikko voitelukyky; alhainen hinta |
|
Öljy-vesi-emulsio |
HFB |
60 % öljyä, 40 % vettä |
< 124 bar |
Faasierottuminen; bakteerit |
|
Vesi-glykoli |
HFC |
60 % glykolia, 40 % vettä |
< 124 bar |
Korrodoi sinkkiä/kadmiumia/magnesiumia; haihtuminen |
|
Synteettinen (fosfaattiesteri) |
HFDR |
Ihmisen tekemä synteettinen |
Korkea paine sallittu |
Kallis; vaatii Viton-tiivisteitä |
* HFA:ta käytetään harvoin korkeapaineisissa järjestelmissä erinomaisen huonon voitelun vuoksi; painerajoitus on enemmän käytännöllinen kuin tekninen rajoitus.