A kőolajalapú olaj kiváló kenőanyag, ezért a vele működő rendszerek hosszú és megbízható élettartamra számíthatnak. Azonban számos rendszerben és alkalmazásban a kőolajalapú olajnak egy jelentős hátránya van: nyomás hatására az olaj kiszivároghat a tömítetlenségeken keresztül, és olajpermetet képezhet. Ez a permet számos ipari tűz okozója lett.

Amikor általában kőolajalapú olajt használunk, a tűzveszély nem túl magas – mivel a ásványi olaj szobahőmérsékleten nem gyullad meg könnyen, és lángeloltó hatása hasonló egy fa gyufáéhoz. Azonban amikor a nagynyomású vezetékekben apró szivárgások keletkeznek, az olaj finom permetként távozik. A permet rendkívül gyúlékony keverék, amelyet nagyon könnyen lehet meggyújtani – ezt a típusú szivárgást úgy tekinthetjük, mint egy üzemanyag-befecskendezőt.

Ipari környezetekben, ahol tűzveszély fenyeget, az elsődleges szempont a munkavállalók biztonsága és a termelés folyamatos fenntartása véletlen tűz esetén. Ha a környezet véletlen gyújtóforrásokat képes létrehozni, tűzálló hidraulikus folyadékokra van szükség. Az ilyen folyadékok használata növeli az üzemeltetési költségeket (a tűzálló folyadékok drágábbak, mint a ásványolaj) és csökkenti a komponensek élettartamát.

E fejezet célja a hidraulikus rendszerekben gyakran használt tűzálló hidraulikus folyadékok azonosítása, néhány velük kapcsolatos probléma megvitatása, valamint karbantartási irányelvek megadása.

Tűzállóság meghatározása

A tűzálló folyadékok nem tűzbiztosak – ahogy nevük is mutatja, egyszerűen csak nehezen gyulladnak meg. Ha egy tűzálló folyadékot elegendően magas hőmérsékletre melegítenek, végül mégis meggyullad.

Egy adott folyadék tűzállóságát három műszaki mérés határozza meg: lobbanáspont, gyulladáspont és öngyulladási hőmérséklet. A következő három vizsgálat leírásában a referenciafolyadék petróleumbázisú hidraulikaolaj.

Visszapukópont

Egy folyadék lobbanáspontja az a hőmérséklet, amelyre fel kell melegíteni ahhoz, hogy felszínéről annyi gőz szabaduljon fel, amely gyullad, ha nyílt lángot alkalmazunk. A petróleumbázisú hidraulikaolaj esetében, ha 350–450 °F (176,6–232,2 °C) hőmérsékletre melegítjük, elegendő gőz szabadul fel ahhoz, hogy gyulladjon a nyílt láng hatására. Azonban ha a lángot eltávolítjuk, a égés leáll.

Gyulladáspont

A gyulladáspont az a hőmérséklet, amelyre az olajat fel kell melegíteni ahhoz, hogy a vizsgálati láng eltávolítása után is tovább égjen. Ezen a hőmérséklet felett elegendő gőz szabadul fel az olaj felszínéről, így egyszer meggyulladva az olaj önmagától is tovább ég, még akkor is, ha a gyújtóforrást eltávolítják.

Önzúzás hőmérséklete

Az öngyulladási hőmérséklet (AIT) az a hőmérséklet, amelyen az olaj külső láng vagy szikra nélkül magától meggyullad. A petrolként előállított hidraulikus olaj esetében, ha 500–700 °F-ra (260–371 °C-ra) melegítik, öngyulladást szenved.

A tűzállóként besorolt folyadékok gyulladáspontja, lobbanáspontja és öngyulladási hőmérséklete magasabb, mint a petroleum-alapú olajoké.

Tűzálló hidraulikus folyadékok típusai

A tűzálló folyadékok két fő kategóriába sorolhatók: vízalapú és szintetikus.

Vízalapú hidraulikus folyadékok

Az első hidraulikus munkaközeg a víz volt. A víznek vannak hátrányai (különösen a kenés területén), de nem gyullad meg, ezért eredetileg, amikor tűzállóságra volt szükség, egyszerűen visszatértek a víz használatához. Mivel azonban bizonyos mértékű kenésre szükség van, az olajat és a vizet emulgeálták egymással.

Olajban diszpergált víz (W/O emulzió)

Ez egy vízalapú tűzálló folyadék, amelyet vízből és olajból készítenek. Nem oldat – a víz és az olaj nem oldódnak egymásban. Ebben a folyadékban egy kémiai emulgeálószer segítségével az olaj rendkívül finom cseppekbe szóródik, és egyenletesen eloszlik a víz alapfázisban, ami javítja kenőképességét. Amikor ez a folyadék lánggal érintkezik, a víz gőzzé alakul, és elfojtja a tüzet.

Ezt a kétfázisú víz/olaj folyadékot emulziónak nevezik. Amikor ezt a folyadék típust széles körben használták, a tipikus arány 60% víz és 40% olaj volt, ahol a víz alkotta a fő fázist, az olaj pedig a szétszórt cseppeket.

Magas víztartalmú alapfolyadék (HFA)

Ez egy tűzálló folyadék, amelyben a víz a fő összetevő. Jelenleg – kivéve azokat a rendszereket, ahol a szivárgás miatt nagy mennyiségű munkafolyadék veszik el – ezt a típust ritkán használják hidraulikus rendszerekben; a használó rendszerek a komponensek rövidebb élettartamával fizetnek valamiféle gazdasági előnyért, mivel ez a folyadék viszonylag olcsó (a víz legalább 90%-ot tesz ki a tartalmából).

Az 1–10% olajtartalmú emulziót nagyvíztartalmú folyadéknak (vízben oldott olaj) nevezik. Ha valaki azt állítja, hogy a rendszerük „5% olajoldatot” használ, az azt jelenti, hogy 95% víz és 5% olaj, vagyis a kémiai koncentráció 95:5.

Olaj-víz emulzió (HFB)

A modern, hidraulikus rendszerekben alkalmazott víz/olaj emulziók tejfehér folyadékok, amelyek 60% olajból és 40% vízből állnak – az arány ellentétes az előző HFA típuséval (60% víz és 40% olaj). Mivel ennek a folyadéknak a fő összetevője az olaj, a víz pedig a diszpergált fázis, az HFB emulzió jobb kenőképességgel rendelkezik, mint az HFA, de tűzállósága enyhén csökken.

víz/olaj emulziók viszkozitása

A víz/olaj emulziók esetében a viszkozitás ugyanolyan fontos tulajdonság, mint a kőolajalapú olajoknál. Mivel az HFA folyadék víztartalma legalább 90%, viszkozitása lényegében megegyezik a víz viszkozitásával – ezért viszonylag gyenge kenőanyag.

Másrészről, bár az HFB emulzió körülbelül 60%-ban olajból áll, ez nem jelenti azt, hogy viszkozitása megegyezik alapolajának viszkozitásával. A két fázis közötti nyíróhatás miatt az HFB emulzió alacsonyabb viszkozitást mutat, mint amire számítani lehetne. A rendszeralkatrészek megfelelő kenésének biztosítása érdekében az alkalmazott HFB emulzió viszkozitásának magasabbnak kell lennie, mint a rendszerben általában használt kőolajalapú olaj viszkozitása. Például, ha egy rendszer 150 SUS (32 cSt) @ 100°F (37,7°C) kőolajalapú olajat használ, akkor az HFB emulzió viszkozitásának 375 SUS (80,9 cSt) @ 100°F (37,7°C) értéknek kell lennie.

Amikor a munkafolyadék áthalad a hidraulikus szivattyún és a rendszeren, a két fázis közötti nyíróhatás miatt az HFB-emulzió viszkozitás-csökkenést mutat. A komponensek megfelelő kenésének biztosítása érdekében az HFB-emulzió viszkozitásának magasabbnak kell lennie, mint a rendszerhez használt normál petroleumbázisú olaj viszkozitása.

Problémák az olaj-víz emulziókkal

A vízalapú tűzálló folyadékok tárolása tartályban problémákat okozhat. Az HFB-emulzió esetében a két fő probléma a fáziselválás és a bakteriális növekedés.

Fáziselválasztás

Az HFB-emulziók nem alkalmasak alacsony hőmérsékleten történő üzemeltetésre. 32 °F (0 °C) hőmérsékleten kezdődik a jégképződés; körülbelül -10 °F (-23,3 °C) hőmérsékleten az emulzió teljesen megfagy. A fagyasztás–olvasztás ciklusok miatt a két fázis szétválik: a víz fagyáspontján (32 °F / 0 °C) az emulzióban lévő vízcseppek egy része jégkristályokká szilárdul. Amikor a rendszer felmelegszik, és a jég olvad, az emulzió nem feltétlenül áll össze újra – ebben a pillanatban a folyadék a komponenseket rozsdásodásra teszi hajlamossá, és már nem jó kenőanyag.

A többszörösen ismétlődő fagyasztás–olvasztás ciklusok állandó szétválást okoznak a víz- és az olajfázis között. Miután a két fázis szétvált, az emulziós állapotba való visszaállításuk rendkívül nehéz, ha nem lehetetlen, és a tűzállóság komoly aggályt jelent.

Szétválás ellenőrzése

A szemrevételezés segítségével ellenőrizhető, hogy az emulzió fázisait elválasztották-e egymástól. A tartályban nehéz megállapítani, hogy a két fázis elválasztódott-e – vegyen egy mintát az olajból, öntse egy széles nyakú üvegbe, és hagyja állni egy ideig. A szabad víz a palack aljára ülepedik, és ezt láthatja.

Ha súlyos fáziselválasztódást gyanít, lépjen kapcsolatba folyadékellátójával – ők esetleg a folyadék cseréjét javasolják.

Baktériumnövekedés

Megfelelő hőmérsékleti körülmények között baktériumok növekedhetnek az HFB-emulzióban. A baktériumok nagy száma eltömítheti a folyamatszabályozó szelepek nyílásait és a szűrőelemeket – mindezek a hatások megbízhatatlanná teszik a rendszert, és működési zavarokat okoznak.

Számos HFB-emulzió tartalmaz baktériumnövekedést gátló adalékanyagokat ennek megelőzésére.

Baktériumnövekedés kimutatása

A baktériumnövekedés az HFB-emulzióban szemrevételezéssel és szagvizsgálattal is észlelhető. Ha a folyadékban baktériumok növekedtek, a bemeneti szűrő úgy néz ki, mintha ragadós nyálkával lenne bevonva, és a folyadék kellemetlen szagot áraszt.

Ha bakteriális növekedés tapasztalható az emulzióban, valószínűleg le kell cserélni a folyadékot.

Víz-glikol (HFC)

A víz-glikol egy másik típusú vízalapú tűzálló folyadék. Vízből és glikolból (etilénglikolból) készül, kémiai szerkezete nagyon hasonlít az autóipari fagyállóhoz.

A víz-glikol általában piros vagy rózsaszín színű. Tipikusan 60% glikolt és 40% vizet tartalmaz, valamint kémiai sűrítőanyagokat adnak hozzá a viszkozitás növelése érdekében. Mivel a glikol valójában oldódik a vízben, ez a folyadék egyfázisú – ellentétben az emulziókkal, mikroszkóp alatt nem láthatók benne különálló víz- és glikolcseppek. A víz-glikol jól működik alacsony hőmérsékleten.

Az HFB-emulzió és a víz-glikol összehasonlítása

Az HFB-emulzió és a víz-glikol összehasonlításakor a következőket állapítjuk meg:

1. Az HFB-emulzió stabilitása rosszabb, mint a víz-glikol oldaté.
2. A stabil HFB-emulzió jobb kenőképességgel rendelkezik.
3. Az HFB-emulzió olcsóbb.
4. A víz-glikol jobb tűzállósággal rendelkezik.
5. A víz-glikol keverék jobban működik alacsony hőmérsékleten.

Problémák vízalapú hidraulikus folyadékokkal

A vízalapú tűzálló folyadék használata hidraulikus tartályban bizonyos problémákat okoz. A HFB-emulzió két fő problémája a komponensek élettartamának csökkenése és a víz elpárolgása.

Vízalapú folyadékok kenése

Mivel a vízalapú tűzálló folyadékok nagy arányban tartalmaznak vizet a tűzállóság eléréséhez, kenőképességük lényegesen alacsonyabb, mint a petróleumbázisú olajoké – ez egy belső hiányosságuk.

Bár kenő- és zsírossági adalékanyagokat is tartalmaznak, a gyakorlati használat során mégis csökkentik a komponensek élettartamát. Ennek kedvezőtlen hatása miatt a vízalapú tűzálló folyadékokat általában nem alkalmazzák olyan rendszerekben, amelyek 1800 psi (124 bar) feletti nyomáson működnek.

A HFA-folyadék, a HFB-emulzió és a víz-glikol közül a stabil HFB-emulzió rendelkezik a legjobb kenőképességgel; ezt követi a víz-glikol, majd a HFA.

4–1. táblázat: Vízalapú tűzgátló folyadékok relatív kenés-csökkenési tényezői a petróleumolajhoz képest. A magasabb tényező nagyobb alkatrészkopást jelent.

Vízkibuztatás

Sok folyadékgyártó ajánlja, hogy a vízalapú hidraulikus folyadékok maximális üzemelési hőmérséklete 140 °F (60 °C) legyen, és ideális esetben 120 °F (49 °C) alatt maradjon. 140 °F (60 °C) felett túlzott vízpárolgás léphet fel.

Amikor a víz elpárolog a vízalapú folyadékból, több kívánatlan dolog is bekövetkezik. A folyadékból kilépő vízgőz kondenzálódik a védetlen vas alkatrészek felületén, és rozsdát okoz. Idővel a rozsda lepattan, és szennyezőanyagként terjed az egész rendszerben.

A vízalapú folyadékok általában rozsdavédő adalékokat tartalmaznak, de bármely védetlen fémfelület, amely nem merül bele a folyadékba, a párolgásból keletkező gőz hatására károsodhat.

A vízalapú folyadékok tűzállósága a víztartalmuktól függ, ezért a víz elpárolgása csökkenti a tűzállóságot. Az elpárolgás befolyásolja a viszkozitást is – a víz-glikol keverékek esetében a víz elvesztése növeli a viszkozitást, míg az HFB-emulziók esetében a vízveszteség csökkenti a viszkozitást, és instabillá teheti az emulziót. A vízalapú tűzálló folyadékok optimális tűzállóságának és megfelelő viszkozitásának fenntartása érdekében víztartalmukat rendszeresen ellenőrizni kell, és szűk koncentrációtartományban kell tartani.

4–11. ábra: Víz elpárolgása vízalapú folyadékokból. Az elpárolgás csökkenti a tűzállóságot, megváltoztatja a viszkozitást, és lehetővé teszi, hogy a gőz kondenzálódjon a fémes felületeken, és rozsdát okozzon.

Szintetikus tűzálló hidraulikafolyadék (HFDR)

A szintetikus tűzálló hidraulikafolyadék egy mesterségesen előállított olaj, amely kiváló tűzállóságáról ismert, miközben kenőképessége közel áll a kőolajalapú olajokéhoz. A leggyakrabban használt szintetikus tűzálló folyadék a foszfátestér.

Megjegyzés: A szintetikus tűzálló folyadékot nem szabad keverni szilikon gyantákkal, szilikát-észterekkel, dibázisos savészterekkel, poliol-észter vegyületekkel, poliéterekkel vagy más szintetikus folyadékokkal. Ezek a szintetikus vegyületek speciális tulajdonságokkal rendelkezhetnek bizonyos alkalmazásokhoz, de általában nem minősülnek tűzállónak.

A foszfátesterek jó teljesítményt nyújtanak magas nyomáson, és kiváló tűzállósággal rendelkeznek, de drágák. Magas nyomású, tűzállóságot igénylő rendszerekben a foszfátesterek magas költsége miatt foszfátester–ásványolaj keveréket is használnak. Ez a keverék biztosítja a rendszer számára szükséges kenést, de tűzállósága nem éri el a tiszta foszfátester tűzállóságát.

Vízalapú és szintetikus tűzálló folyadékok összehasonlítása

A vízalapú és szintetikus tűzálló folyadékok összehasonlításakor:

6. A szintetikus folyadékok jobb kenőképességgel rendelkeznek, és magasabb nyomáson is üzemeltethetők.
7. A szintetikus folyadékok drágábbak.
8. A szintetikus folyadékok jobb tűzállósággal rendelkeznek.
9. A foszfátester folyadék gyulladáspontja körülbelül 455 °F (235 °C), lobbanáspontja körülbelül 665 °F (352 °C), öngyulladási hőmérséklete pedig körülbelül 1150 °F (621 °C).

A vízalapú folyadékok nem mutatnak tűzállóságot gyulladáspont és lobbanáspont formájában – mivel ezek a folyadékok vizet tartalmaznak. A víz-glikol öngyulladási hőmérséklete körülbelül 1100 °F (593 °C); az HFB-emulzió esetében az öngyulladási hőmérséklet körülbelül 825 °F (440,6 °C).

4–14. ábra: Négy tűzálló folyadéktípus és tárolódobozuk. Balról jobbra: szintetikus (foszfátester), foszfátester-olaj keverék, HFB-emulzió és víz-glikol.

Problémák a tűzálló hidraulikafolyadékokkal

A tűzálló folyadékok használata hidraulikarendszerekben bizonyos problémákat okoz, például: tömítésekkel és védőrétegekkel való kompatibilitás, habzás és levegővisszatartás, valamint üledékképződés.

A tűzálló folyadékok kompatibilitása

A dinamikus tömítések leggyakoribb anyaga a petróleumolajos rendszerekben a nitril-gumi (Buna-N). Ez az anyag kompatibilis az HFB-emulzióval és a víz-glikol keverékkel is. Amikor egy rendszer a petróleumolajról átkapcsol HFB-emulzióra vagy víz-glikol keverékre, és a meglévő tömítések nitril-gumiból készültek, akkor nem szükséges lecserélni őket. Ha azonban szintetikus folyadékra – például foszfátestérre – történik az átkapcsolás, akkor a tömítések cseréje szükséges.

Amikor a rendszer a petróleumolajról vízalapú hidraulikafolyadékra vált át, problémák merülhetnek fel a védőbevonatokkal kapcsolatban. Ha a tartály belseje olyan bevonattal vagy festékkel van védve, amely kompatibilis a petróleumolajjal, akkor a vízalapú folyadék oldhatja ezeket a bevonatokat.

A víz-glikol és egyes vegyi koncentrátumok összeegyeztethetetlenek bizonyos fémekkel. Ezek károsíthatják a cinket, a kadmiumot, a magnéziumot és egyes alumíniumötvözeteket, ragadós salakot termelve, amely elzárhatja a szelepek nyílásait és a szűrőket, illetve szeleptányér-akadást okozhat. Ezért ajánlott, hogy olyan alkatrészeket, amelyek ezekből a fémekből készültek vagy ezekkel a fémekkel védettek, ne használjanak víz-glikollal. Ilyen alkatrészek például elektroplátott csövek, cink- vagy kadmiumbevonatos szűrőhálók, csatlakozók és tartály-kiegészítők.

A petrolkőolajos rendszerekben dinamikus tömítéseknél gyakran használt nitril-gumi tömítőanyag nem alkalmas foszfatesterekre vagy foszfatester keverékekre – ezekhez fluoroelasztomert (Viton), epoxidos gumit vagy más kompatibilis tömítőanyagokat kell használni.

A szintetikus tűzálló folyadék feloldhatja a petrolkőolajjal kompatibilis festékeket és lakkokat, de nem károsítja a hidraulikus rendszerben gyakori fémeket.

Habképződés és levegőretenció tűzálló folyadékokban

A vízalapú és szintetikus tűzálló folyadékok hajlamosabbak levegőt megkötni és habosodni, mint a kőolajalapú olajok. Amikor a munkafolyadék visszatér a tartályba, a tűzálló folyadéknak hosszabb időre van szüksége a tartályban ahhoz, hogy az összes felhalmozódott levegőbuborékot eltávolítsa.

Ezért a tűzálló folyadékokat használó rendszereknek nagyobb tartályra van szükségük, mint a kőolajalapú olajokat használó rendszereknek.

tűzálló folyadékokban lebegő szennyeződések ülepedése

Amikor a tűzálló folyadék visszatér a tartályba, könnyebben megtartja a lebegő szennyező anyagokat, mint a kőolajalapú olaj. A folyadéknak lehetővé kell tennie, hogy minden megfelelő méretű szennyező anyag leülepedjen a tartály aljára; azonban a tűzálló folyadékokban a szennyező anyagok nem ülepednek le olyan könnyen.

Ezért, ha egy rendszer tűzálló hidraulikus folyadékot használ, az első lépés a megfelelő folyadétszűrési intézkedések bevezetése, és a mágneses szűrők sem maradhatnak figyelmen kívül.

Karbantartási irányelvek

Tároló

A tűzálló hidraulikus folyadék tárolása lényegében megegyezik a kőolajalapú olajokéval — a hordókat oldalukra fektetve kell tárolni, hogy a víz ne gyűljön fel a tetejükön és ne szivárogjon be.

Az HFB-emulzió esetében további tárolási követelmény áll fenn: mivel a többszöri fagyasztás–felolvasztás ciklus befolyásolja a stabilitását, tárolás közben gondosan el kell kerülni a megfagyását.

Folyadék áttöltése hordóból tartályba

A folyadék áttöltése a tároló hordókból a tartályba egy további fontos lépés. A hordó dugójának eltávolítása előtt tisztítsa meg a hordó tetejét, és készítse elő az áttöltési folyamathoz szükséges összes berendezést és eszközt: rugalmas csövet, áttöltőszivattyút, töltritkát, tartálytöltő szűrőt, valamint az üzemeltető kezeit. Ellenőrizze, hogy a hordóban lévő folyadék márkanév és viszkozitása megfelelő-e.

Ha áttöltőszivattyút használ a tűzálló folyadék mozgatására, győződjön meg arról, hogy a szivattyúban nincs maradék más típusú folyadék, és hogy a szivattyú anyagai és csatlakozóelemei kompatibilisek a folyadékkal.

A tűzálló folyadék tartályba történő betöltése után a megadott időközönként karbantartani és figyelni kell. Az olajkarbantartás a következőket foglalja magában: a minimális szintre való feltöltést, a szivárgások kezelését, valamint a szűrőelemek cseréjét.

A vízalapú hidraulikus folyadékot rendszeresen ellenőrizni kell a víztartalma szerint – a koncentrációt nagyon szűk határok között kell tartani; ellenkező esetben a viszkozitás és a tűzállóság is romlani fog.

Általában nem ajánlott vizet adni egy HFB-emulzióhoz, mivel ez újraemulgeálási folyamatot igényel. Víz hozzáadása víz-glikol oldathoz gyakori eljárás, de ezt nem egyszerűen egy kerticsapból a tartályba vezetett cső segítségével szabad elvégezni. A feltöltő víz nem tartalmazhat ásványi lerakódásokat, amelyek szennyeznék a rendszert. Desztillált vagy deionizált víz alkalmas víz-glikol oldatokhoz; a hozzáadandó mennyiséget az olajminta laboratóriumi elemzése alapján kell meghatározni.

* Az HFA-t ritkán használják nagynyomású rendszerekben a nagyon gyenge kenés miatt; a nyomáshatár inkább gyakorlati, mint technikai korlátozás.