L'huile à base de pétrole est un excellent lubrifiant ; ainsi, les systèmes qui l'utilisent comme fluide de transmission d'énergie peuvent espérer une longue durée de vie et une fiabilité élevée. Toutefois, dans de nombreux systèmes et applications, l'huile à base de pétrole présente un inconvénient majeur : sous pression, elle peut s'échapper par des fuites et former un brouillard (projection d'huile). Ce brouillard est à l'origine de nombreux incendies industriels.

Lorsque nous utilisons normalement de l'huile à base de pétrole, le risque d'incendie n'est pas très élevé — car l'huile minérale ne s'enflamme pas facilement à température ambiante et possède une capacité d'extinction des flammes comparable à celle d'une allumette en bois. Toutefois, lorsque des conduites sous haute pression présentent de petites fuites, l'huile est projetée sous forme d'un fin brouillard. Ce brouillard constitue un mélange hautement inflammable, facilement inflammable — ce type de fuite peut être assimilé à un injecteur de carburant.

Dans les environnements industriels présentant un risque d’incendie, la première préoccupation est la sécurité des travailleurs et la capacité à maintenir la production sans incendies accidentels. Si l’environnement peut générer des sources d’ignition accidentelles, des fluides hydrauliques ignifuges sont nécessaires. L’utilisation de tels fluides augmente les coûts d’exploitation (les fluides ignifuges coûtent plus cher que l’huile minérale) et réduit la durée de vie des composants.

L’objectif de ce chapitre est d’identifier les fluides hydrauliques ignifuges couramment utilisés dans les systèmes hydrauliques, d’aborder certaines difficultés liées à leur utilisation et de fournir des recommandations pour leur maintenance.

Détermination de la résistance au feu

Les fluides ignifuges ne sont pas ininflammables — comme leur nom l’indique, ils sont simplement difficiles à enflammer. Si un fluide ignifuge est chauffé à une température suffisamment élevée, il finira toutefois par s’enflammer.

La résistance au feu d'un fluide spécifique est déterminée par trois mesures techniques : le point d'éclair, le point de feu et la température d'auto-inflammation. Le fluide de référence dans les trois descriptions d'essais suivantes est une huile hydraulique à base de pétrole.

Point d'inflammation

Le point d'éclair d'un fluide est la température à laquelle il doit être chauffé pour libérer suffisamment de vapeur de sa surface afin de s'enflammer si une flamme y est appliquée. Pour l'huile hydraulique à base de pétrole, si elle est chauffée à 350–450 °F (176,6–232,2 °C), elle libère suffisamment de vapeur pour s'enflammer lorsqu'une flamme y est appliquée. Toutefois, dès que la flamme est retirée, la combustion cesse.

Point de feu

Le point de feu est la température à laquelle l'huile doit être chauffée afin qu'elle continue de brûler après le retrait de la flamme utilisée lors de l'essai. Au-dessus de cette température, suffisamment de vapeur est libérée de la surface de l'huile pour que, une fois enflammée, celle-ci continue de brûler spontanément même après le retrait de la source de flamme.

Température d'inflammation spontanée

La température d’auto-inflammation (AIT) est la température à laquelle l’huile s’enflamme spontanément, sans flamme ou étincelle externe. Pour les huiles hydrauliques pétrolières, si elles sont chauffées à 500–700 °F (260–371 °C), elles s’enflamment spontanément.

Les fluides classés comme résistants au feu présentent des points d’éclair, des points de feu et des températures d’auto-inflammation plus élevés que ceux des huiles à base de pétrole.

Types de fluides hydrauliques résistants au feu

Les fluides résistants au feu peuvent être divisés en deux grandes catégories : à base d’eau et synthétiques.

Fluides hydrauliques à base d’eau

Le premier fluide hydraulique utilisé était l’eau. Celle-ci présente certains inconvénients (notamment en matière de lubrification), mais elle est non inflammable ; ainsi, la première approche adoptée lorsqu’une résistance au feu était requise consistait tout simplement à revenir à l’eau. Toutefois, comme une certaine lubrification est nécessaire, de l’huile et de l’eau ont été émulsifiées ensemble.

Émulsion eau-dans-huile (émulsion E/H)

Il s'agit d'un fluide ignifuge à base d'eau, composé d'eau et d'huile. Ce n'est pas une solution — l'huile et l'eau ne se dissolvent pas l'une dans l'autre. Dans ce fluide, l'huile est dispersée sous forme de gouttelettes extrêmement fines à l'aide d'un émulsifiant chimique et répartie uniformément dans la phase aqueuse, ce qui améliore ses propriétés lubrifiantes. Lorsque ce fluide entre en contact avec une flamme, l'eau se transforme en vapeur et étouffe le feu.

Ce fluide biphasique eau/huile est appelé une émulsion. À l'époque où ce type de fluide était largement utilisé, le rapport typique était de 60 % d'eau pour 40 % d'huile, l'eau constituant la phase continue et l'huile les gouttelettes dispersées.

Fluide à forte teneur en eau (HFA)

Il s'agit d'un fluide résistant au feu dont l'eau constitue le composant principal. Actuellement, à l'exception des systèmes où de grandes quantités de fluide de travail sont perdues en raison de fuites, ce type de fluide est rarement utilisé dans les systèmes hydrauliques — les systèmes qui l'utilisent échangent une durée de vie réduite des composants contre un certain avantage économique, car il est relativement peu coûteux (l'eau représente au moins 90 % de sa composition).

Une émulsion contenant 1 à 10 % d'huile est appelée fluide à base d'eau élevée (solution huile-dans-eau). Si l'on indique que le système utilise une « solution à 5 % d'huile », cela signifie 95 % d'eau et 5 % d'huile, soit une concentration chimique de 95:5.

Émulsion huile-dans-eau (HFB)

Les émulsions eau/huile modernes utilisées dans les systèmes hydrauliques sont des fluides laiteux composés de 60 % d'huile et de 40 % d'eau — le rapport est inversé par rapport au type HFA antérieur (60 % d'eau pour 40 % d'huile). Comme le composant principal de ce fluide est l'huile, tandis que l'eau constitue la phase dispersée, l'émulsion HFB offre une lubrification supérieure à celle de l'HFA, mais sa résistance au feu est légèrement réduite.

viscosité des émulsions eau/huile

Comme l’huile pétrolière, la viscosité est une propriété importante des émulsions eau/huile. Puisque le fluide HFA contient au moins 90 % d’eau, sa viscosité est essentiellement celle de l’eau, ce qui en fait un lubrifiant relativement médiocre.

D’un autre côté, bien que l’émulsion HFB soit composée d’environ 60 % d’huile, cela ne signifie pas que sa viscosité égale celle de l’huile de base. En raison de l’effet de cisaillement entre les deux phases, l’émulsion HFB présente une viscosité inférieure à celle attendue. Afin d’assurer une lubrification adéquate des composants du système, l’émulsion HFB utilisée doit présenter une viscosité supérieure à celle de l’huile pétrolière normalement employée dans le système. Par exemple, si un système utilise une huile pétrolière de 150 SUS (32 cSt) à 100 °F (37,7 °C), l’émulsion HFB doit avoir une viscosité de 375 SUS (80,9 cSt) à 100 °F (37,7 °C).

Lorsque le fluide de travail traverse la pompe hydraulique et le système, l'effet de cisaillement entre les deux phases provoque une diminution de la viscosité de l'émulsion HFB. Pour garantir une bonne lubrification des composants, la viscosité de l'émulsion HFB doit être supérieure à celle de l'huile pétrolière classique utilisée dans ce système.

Problèmes liés aux émulsions huile-dans-eau

Le stockage des fluides résistants au feu à base d’eau dans un réservoir peut poser des problèmes. Pour l’émulsion HFB, les deux principaux problèmes sont la séparation de phase et la prolifération bactérienne.

Séparation de phase

Les émulsions HFB ne sont pas conçues pour fonctionner à basse température. À 32 °F (0 °C), la formation de glace commence ; à environ -10 °F (-23,3 °C), l’émulsion gèle complètement. Les cycles de gel-dégel provoquent la séparation des deux phases : au point de congélation de l’eau (32 °F / 0 °C), certaines des gouttelettes d’eau présentes dans l’émulsion se solidifient sous forme de cristaux de glace. Lorsque le système se réchauffe et que la glace fond, l’émulsion ne se reconstitue pas nécessairement — à ce stade, le fluide rend les composants plus sensibles à la rouille et n’est plus un bon lubrifiant.

Des cycles répétés de gel-dégel provoquent une séparation définitive des phases eau et huile. Une fois séparées, il est très difficile, voire impossible, de rétablir l’état émulsifié des deux phases, et la résistance au feu devient un problème sérieux.

Vérification de la séparation des phases

L'inspection visuelle permet de vérifier si l'émulsion a subi une séparation de phase. Il est difficile de déterminer dans le réservoir si les deux phases se sont séparées — prélevez un échantillon d'huile, versez-le dans une bouteille à large ouverture et laissez-le reposer un certain temps. Vous verrez alors toute eau libre sédimentée au fond de la bouteille.

Si vous soupçonnez que la séparation de phase est grave, contactez votre fournisseur de fluide — il pourrait vous recommander de remplacer le fluide.

Croissance bactérienne

Dans des conditions de température adéquates, des bactéries peuvent se développer dans l'émulsion HFB. Un nombre élevé de bactéries peut obstruer les orifices des vannes de régulation du débit ou les éléments filtrants — tous ces effets rendent le système peu fiable et provoquent son dysfonctionnement.

De nombreuses émulsions HFB contiennent des additifs bactériostatiques afin d'éviter ce phénomène.

Détection de la prolifération bactérienne

La prolifération bactérienne dans l'émulsion HFB peut être détectée visuellement et à l'odeur. Si des bactéries se sont développées dans le fluide, le filtre d'entrée semble recouvert d'une substance visqueuse et gluante, et le fluide dégage une odeur fétide.

Si une croissance bactérienne est présente dans l’émulsion, le fluide devra probablement être remplacé.

Eau-glycol (HFC)

L’eau-glycol est un autre type de fluide ignifuge à base d’eau. Il est composé d’eau et de glycol (glycol éthylénique), et sa structure chimique est très similaire à celle de l’antigel automobile.

L’eau-glycol est généralement rouge ou rose. Elle contient typiquement 60 % de glycol et 40 % d’eau, avec des agents épaississants chimiques ajoutés pour augmenter sa viscosité. Comme le glycol se dissout effectivement dans l’eau, ce fluide est monophasique — contrairement aux émulsions, il ne contient pas, lorsqu’il est observé au microscope, de gouttelettes d’eau et de glycol séparées. L’eau-glycol fonctionne bien à basse température.

Comparaison entre l’émulsion HFB et l’eau-glycol

En comparant l’émulsion HFB et l’eau-glycol, on constate ce qui suit :

1. La stabilité de l’émulsion HFB est inférieure à celle de la solution eau-glycol.
2. Une émulsion HFB stable offre une meilleure lubrification.
3. L’émulsion HFB est moins coûteuse.
4. L’eau-glycol présente une meilleure résistance au feu.
5. L'eau-glycol fonctionne mieux à basse température.

Problèmes liés aux fluides hydrauliques à base d'eau

L'utilisation d'un fluide ignifuge à base d'eau dans un réservoir hydraulique pose certains problèmes. Deux problèmes principaux affectent l'émulsion HFB : la réduction de la durée de vie des composants et l'évaporation de l'eau.

Lubrification par fluide à base d'eau

Comme les fluides ignifuges à base d'eau contiennent une forte proportion d'eau afin d'assurer leur résistance au feu, leur pouvoir lubrifiant est nettement inférieur à celui des huiles pétrolières — il s'agit là d'un inconvénient intrinsèque.

Bien que des additifs lubrifiants et des agents d'huileux soient incorporés, ils réduisent tout de même la durée de vie des composants en service. En raison de cet effet néfaste, les fluides ignifuges à base d'eau ne sont généralement pas utilisés dans des systèmes fonctionnant à une pression supérieure à 1 800 psi (124 bar).

Parmi les fluides HFA, les émulsions HFB stables et les eaux-glycol, les émulsions HFB stables offrent la meilleure lubrification, suivies par les eaux-glycol, puis les HFA.

Tableau 4-1 : Facteurs relatifs de réduction de la lubrification pour les fluides ignifuges à base d’eau par rapport aux huiles pétrolières. Un facteur plus élevé signifie une usure accrue des composants.

Évaporation de l'eau

De nombreux fabricants de fluides recommandent que la température maximale de fonctionnement des fluides hydrauliques à base d’eau soit de 140 °F (60 °C), et qu’elle soit idéalement maintenue en dessous de 120 °F (49 °C). Au-delà de 140 °F (60 °C), une évaporation excessive de l’eau peut se produire.

Lorsque l’eau s’évapore du fluide à base d’eau, plusieurs phénomènes indésirables se produisent. La vapeur d’eau s’échappant du liquide se condense sur les surfaces non protégées des composants en fer et provoque de la rouille. Après un certain temps, cette rouille se détache sous forme d’écaillures et devient une source de contamination dans tout le système.

Les fluides à base d’eau contiennent généralement des inhibiteurs de rouille, mais toute surface métallique non protégée et non immergée dans le fluide sera attaquée par la vapeur résultant de l’évaporation.

La résistance au feu des fluides à base d'eau dépend de leur teneur en eau ; ainsi, l'évaporation de l'eau réduit cette résistance. L'évaporation affecte également la viscosité : dans les fluides à base d'eau-glycol, la perte d'eau augmente la viscosité, tandis que dans les émulsions HFB, la perte d'eau diminue la viscosité et peut rendre l'émulsion instable. Afin de maintenir une résistance optimale au feu et une viscosité adaptée, la teneur en eau des fluides ignifuges à base d'eau doit être vérifiée régulièrement et maintenue dans une plage de concentration étroite.

Figure 4-11 : Évaporation de l'eau à partir des fluides à base d'eau. L'évaporation réduit la résistance au feu, modifie la viscosité et permet à la vapeur de se condenser sur les surfaces métalliques, provoquant ainsi de la rouille.

Fluide hydraulique synthétique ignifuge (HFDR)

Le fluide hydraulique synthétique ignifuge est une huile artificielle réputée pour sa forte résistance au feu, tandis que ses propriétés lubrifiantes sont proches de celles des huiles pétrolières. Le fluide ignifuge synthétique le plus couramment utilisé est l'ester phosphoré.

Remarque : Le liquide synthétique ignifuge ne doit pas être mélangé avec des résines siliconées, des esters de silicate, des esters d'acides dibasiques, des composés d'esters de polyol, des polyéthers ou d'autres liquides synthétiques. Ces composés synthétiques peuvent présenter des propriétés spécifiques nécessaires pour certaines applications, mais ils ne sont généralement pas considérés comme ignifuges.

Le liquide à base d’ester de phosphate fonctionne bien à haute pression et présente une excellente résistance au feu, mais il est coûteux. Dans les systèmes à haute pression exigeant une résistance au feu, en raison du coût élevé de l’ester de phosphate, un mélange d’ester de phosphate et d’huile minérale peut être utilisé. Ce mélange assure la lubrification requise par le système, mais sa résistance au feu est inférieure à celle de l’ester de phosphate pur.

Comparaison entre les liquides ignifuges à base d’eau et les liquides ignifuges synthétiques

Lors de la comparaison des liquides ignifuges à base d’eau et des liquides ignifuges synthétiques :

6. Les liquides synthétiques offrent une meilleure lubrification et peuvent fonctionner à des pressions plus élevées.
7. Les liquides synthétiques sont plus coûteux.
8. Les liquides synthétiques présentent une meilleure résistance au feu.
9. Le fluide à base d’ester de phosphate a un point éclair d’environ 455 °F (235 °C), un point de feu d’environ 665 °F (352 °C) et une température d’auto-inflammation d’environ 1 150 °F (621 °C).

Les fluides à base d’eau ne présentent pas de résistance au feu exprimée par le point éclair et le point de feu, car ces fluides contiennent de l’eau. La température d’auto-inflammation du glycol aqueux est d’environ 1 100 °F (593 °C) ; pour l’émulsion HFB, la température d’auto-inflammation est d’environ 825 °F (440,6 °C).

Figure 4-14 : Quatre types de fluides résistants au feu et leurs fûts de stockage. De gauche à droite : synthétique (ester de phosphate), mélange d’ester de phosphate et d’huile, émulsion HFB et glycol aqueux.

Problèmes liés aux fluides hydrauliques résistants au feu

L’utilisation de fluides résistants au feu dans les systèmes hydrauliques engendre certains problèmes, notamment : la compatibilité avec les joints d’étanchéité et les revêtements protecteurs, la formation d’écume et la rétention d’air, ainsi que la sédimentation.

Compatibilité des fluides résistants au feu

Le matériau le plus couramment utilisé pour les joints dynamiques dans les systèmes à huile pétrolière est le caoutchouc nitrile (Buna-N). Ce matériau est également compatible avec les émulsions HFB et les fluides à base d’eau-glycol. Lorsqu’un système passe de l’huile pétrolière à une émulsion HFB ou à un fluide à base d’eau-glycol, si les joints existants sont en caoutchouc nitrile, ils n’ont pas besoin d’être remplacés. Toutefois, si le passage s’effectue vers un fluide synthétique tel qu’un ester phosphate, le remplacement des joints est requis.

Lors du passage de l’huile pétrolière à un fluide hydraulique à base d’eau, des problèmes peuvent survenir avec les revêtements protecteurs. Si l’intérieur du réservoir est protégé par un revêtement ou une peinture compatible avec l’huile pétrolière, le fluide à base d’eau risque de dissoudre ces revêtements.

Les liquides à base d'eau et de glycol, ainsi que certains concentrés chimiques, sont incompatibles avec certains métaux. Ils peuvent corroder le zinc, le cadmium, le magnésium et certains alliages d'aluminium, produisant des scories adhérentes qui obstruent les orifices des vannes et les filtres, et peuvent provoquer le coincement des tiroirs de vanne. Il est donc recommandé de ne pas utiliser, avec les liquides à base d'eau et de glycol, les composants contenant ces métaux ou plaqués avec ces métaux. Ces composants peuvent inclure des tuyaux électroplaqués, des tamis filtrants plaqués de zinc ou de cadmium, des raccords de tuyauterie et des accessoires de réservoir.

Le caoutchouc nitrile couramment utilisé comme matériau d'étanchéité dynamique dans les systèmes à huile pétrolière n'est pas compatible avec les esters phosphorés ou les mélanges d'esters phosphorés — ces fluides nécessitent des élastomères fluorés (Viton), des caoutchoucs à base d'époxy ou d'autres matériaux d'étanchéité compatibles.

Les fluides synthétiques résistants au feu peuvent dissoudre les peintures et vernis compatibles avec l'huile pétrolière, mais ils ne corrodent pas les métaux courants présents dans un système hydraulique.

Formation d'écume et rétention d'air dans les fluides résistants au feu

Comparé à l’huile pétrolière, les fluides ignifuges à base d’eau et synthétiques ont tendance à retenir davantage d’air et à mousser. Une fois que le fluide de travail revient dans le réservoir, le fluide ignifuge nécessite un temps plus long dans le réservoir pour libérer toutes les bulles d’air accumulées.

Par conséquent, les systèmes utilisant des fluides ignifuges doivent être équipés d’un réservoir plus volumineux que ceux utilisant de l’huile pétrolière.

sédimentation dans les fluides ignifuges

Lorsque le fluide ignifuge revient dans le réservoir, il retient plus facilement que l’huile pétrolière les contaminants en suspension. Le fluide devrait permettre à tout contaminant de taille appropriée de se déposer au fond du réservoir, mais dans le cas des fluides ignifuges, les contaminants ne sédimentent pas aussi facilement.

Par conséquent, lorsqu’un système utilise un fluide hydraulique ignifuge, la première mesure à envisager est la mise en œuvre d’un bon système de filtration du fluide, sans négliger l’utilisation de filtres magnétiques.

Lignes directrices d'entretien

Stockage

Le stockage du fluide hydraulique ignifuge est essentiellement identique à celui de l’huile pétrolière : les fûts doivent être entreposés sur leur côté afin d’éviter l’accumulation d’eau au sommet et son infiltration.

Pour l’émulsion HFB, une exigence supplémentaire de stockage s’applique : comme les cycles répétés de congélation-décongélation affectent sa stabilité, il convient de veiller soigneusement à ce qu’elle ne gèle pas pendant le stockage.

Transfert du fluide du fût au réservoir

Le transfert du fluide des fûts de stockage vers le réservoir constitue une autre étape importante. Avant de retirer le bouchon du fût, nettoyez le couvercle du fût et préparez tout l’équipement et les outils nécessaires au processus de transfert : tuyau souple, pompe de transfert, entonnoir, filtre de remplissage du réservoir et mains de l’opérateur. Vérifiez que la marque et la viscosité du fluide contenu dans le fût sont correctes.

Si une pompe de transfert est utilisée pour déplacer le fluide ignifuge, assurez-vous qu’aucun fluide résiduel d’un autre type n’est présent dans la pompe, et que les matériaux constitutifs de la pompe ainsi que ses raccords sont compatibles avec ce fluide.

Une fois le fluide ignifuge introduit dans le réservoir, il doit être entretenu et surveillé aux intervalles spécifiés. L’entretien de l’huile comprend : le remplissage jusqu’au niveau minimal, la gestion des fuites et le remplacement des éléments filtrants.

Le fluide hydraulique à base d’eau doit être vérifié régulièrement quant à sa teneur en eau — celle-ci doit être maintenue dans une fourchette très étroite ; sinon, la viscosité et la résistance au feu seront affectées.

Il n’est généralement pas recommandé d’ajouter de l’eau à une émulsion HFB, car cela nécessite un processus de réémulsification. L’ajout d’eau à une solution eau-glycol est courant, mais cela ne doit pas se faire simplement en branchant un tuyau d’arrosage sur le réservoir. L’eau de complément ne doit pas contenir de dépôts minéraux susceptibles de contaminer le système. L’eau distillée ou déminéralisée convient aux solutions eau-glycol ; la quantité à ajouter doit être déterminée par analyse en laboratoire de l’échantillon d’huile.

* L’HFA est rarement utilisé dans les systèmes à haute pression en raison de sa lubrification très médiocre ; la limite de pression est davantage une contrainte pratique qu’une contrainte technique.