Minyak berbasis petroleum merupakan pelumas yang sangat baik, sehingga sistem yang menggunakannya sebagai media transmisi energi dapat mengharapkan masa pakai yang panjang dan andal. Namun, pada banyak sistem dan aplikasi, minyak berbasis petroleum memiliki satu kelemahan signifikan: di bawah tekanan, minyak dapat menyemprot melalui kebocoran dan menghasilkan kabut (semprotan minyak). Kabut ini telah menjadi penyebab banyak kebakaran industri.

Ketika kita biasanya menggunakan minyak berbasis petroleum, risiko kebakaran tidak terlalu tinggi—karena minyak mineral tidak mudah terbakar pada suhu kamar dan memiliki kemampuan memadamkan api yang mirip dengan korek api kayu. Namun, ketika saluran bertekanan tinggi mengalami kebocoran kecil, minyak tersebut menyemprot keluar dalam bentuk kabut halus. Kabut merupakan campuran yang sangat mudah terbakar dan dapat dinyalakan dengan sangat mudah—jenis kebocoran ini dapat dianggap sebagai injektor bahan bakar.

Di lingkungan industri dengan risiko kebakaran, perhatian utama pertama adalah keselamatan pekerja dan kemampuan mempertahankan produksi tanpa terjadinya kebakaran tak disengaja. Jika lingkungan tersebut dapat menghasilkan sumber pengapian tak disengaja, maka diperlukan cairan hidrolik tahan api. Penggunaan cairan semacam ini meningkatkan biaya operasional (cairan tahan api lebih mahal dibandingkan minyak mineral) dan mengurangi masa pakai komponen.

Tujuan bab ini adalah mengidentifikasi cairan hidrolik tahan api yang umum digunakan dalam sistem hidrolik, membahas beberapa permasalahan terkait penggunaannya, serta memberikan panduan perawatan.

Menentukan Ketahanan Api

Cairan tahan api bukanlah cairan tak terbakar—seperti namanya, cairan ini hanya sulit terbakar. Jika suatu cairan tahan api dipanaskan hingga suhu yang cukup tinggi, pada akhirnya cairan tersebut tetap akan terbakar.

Tahan api suatu cairan tertentu ditentukan oleh tiga pengukuran teknis: titik nyala, titik api, dan suhu pengapian spontan. Cairan acuan dalam tiga deskripsi uji berikut adalah minyak hidrolik berbasis petroleum.

Titik Nyala

Titik nyala suatu cairan adalah suhu di mana cairan tersebut harus dipanaskan agar menghasilkan cukup uap dari permukaannya sehingga dapat terbakar bila dikenai nyala api. Untuk minyak hidrolik petroleum, jika dipanaskan hingga 350–450°F (176,6–232,2°C), jumlah uap yang dihasilkan cukup untuk terbakar ketika dikenai nyala api. Namun, begitu nyala api dihilangkan, pembakaran pun berhenti.

Titik Api

Titik api adalah suhu di mana minyak harus dipanaskan agar tetap terbakar setelah nyala api uji dihilangkan. Di atas suhu ini, jumlah uap yang dilepaskan dari permukaan minyak cukup banyak sehingga, setelah terbakar, minyak akan terus terbakar secara mandiri meskipun sumber nyala telah dihilangkan.

Suhu auto-penyalaan

Suhu pengapian otomatis (AIT) adalah suhu di mana minyak terbakar secara spontan tanpa adanya nyala api atau percikan eksternal. Untuk minyak hidrolik berbasis petroleum, jika dipanaskan hingga 500–700°F (260–371°C), minyak tersebut akan terbakar secara spontan.

Cairan yang diklasifikasikan sebagai tahan api memiliki titik nyala, titik api, dan suhu pengapian otomatis yang lebih tinggi dibandingkan minyak berbasis petroleum.

Jenis-Jenis Cairan Hidrolik Tahan Api

Cairan tahan api dapat dibagi menjadi dua kategori utama: berbasis air dan sintetis.

Cairan Hidrolik Berbasis Air

Medium kerja hidrolik pertama adalah air. Air memiliki beberapa kekurangan (terutama dalam hal pelumasan), namun bersifat tidak mudah terbakar; sehingga pendekatan awal ketika diperlukan ketahanan terhadap api adalah beralih kembali ke air. Namun, karena pelumasan tetap diperlukan, maka minyak dan air diemulsikan bersama.

Emulsi Air-dalam-Minyak (Emulsi A/dalam-M)

Ini adalah cairan tahan api berbasis air yang terbuat dari air dan minyak. Cairan ini bukan suatu larutan—minyak dan air tidak saling melarut. Dalam cairan ini, minyak dihamburkan menjadi tetesan-tetesan sangat halus oleh emulsifier kimia dan didistribusikan secara merata di seluruh fase pembawa air, sehingga meningkatkan kualitas pelumasannya. Ketika cairan ini bersentuhan dengan nyala api, air berubah menjadi uap dan memadamkan api.

Cairan dua-fase air/minyak ini disebut emulsi. Selama periode penggunaan luas jenis cairan ini, rasio khasnya adalah 60% air terhadap 40% minyak, dengan air sebagai fase utama dan minyak sebagai tetesan yang terdispersi.

Cairan Berbasis Air Tinggi (HFA)

Ini adalah cairan tahan api di mana air merupakan komponen utamanya. Saat ini, kecuali pada sistem-sistem yang mengalami kehilangan jumlah besar cairan kerja akibat kebocoran, jenis ini jarang digunakan dalam sistem hidrolik — sistem yang menggunakannya menukar masa pakai komponen yang lebih pendek dengan sejumlah keuntungan ekonomis karena harganya relatif murah (air menyusun minimal 90% kandungannya).

Emulsi yang dibuat dengan kandungan minyak 1–10% disebut cairan berbasis air tinggi (larutan minyak-dalam-air). Jika seseorang menyatakan sistemnya menggunakan "larutan minyak 5%", itu berarti 95% air dan 5% minyak, atau konsentrasi kimia 95:5.

Emulsi Minyak-dalam-Air (HFB)

Emulsi air/minyak modern yang digunakan dalam sistem hidrolik adalah cairan berwarna putih susu yang terdiri dari 60% minyak dan 40% air — rasionya terbalik dibandingkan tipe HFA sebelumnya (60% air terhadap 40% minyak). Karena komponen utama cairan ini adalah minyak, sedangkan air berada dalam fase terdispersi, emulsi HFB memiliki pelumasan yang lebih baik dibandingkan HFA, tetapi ketahanan apinya sedikit berkurang.

viskositas emulsi air/minyak

Seperti minyak bumi, viskositas merupakan sifat penting dari emulsi air/minyak. Karena cairan HFA mengandung air minimal 90%, viskositasnya pada dasarnya sama dengan viskositas air—sehingga menjadikannya pelumas yang relatif kurang baik.

Di sisi lain, meskipun emulsi HFB terdiri dari sekitar 60% minyak, hal ini tidak berarti viskositasnya sama dengan viskositas minyak dasarnya. Akibat efek geser antara dua fasa tersebut, emulsi HFB menunjukkan viskositas yang lebih rendah daripada yang diperkirakan. Untuk memastikan pelumasan yang memadai terhadap komponen sistem, emulsi HFB yang digunakan harus memiliki viskositas yang lebih tinggi dibandingkan minyak bumi yang biasanya digunakan dalam sistem tersebut. Sebagai contoh, jika suatu sistem menggunakan minyak bumi dengan viskositas 150 SUS (32 cSt) pada 100°F (37,7°C), maka emulsi HFB yang digunakan harus memiliki viskositas 375 SUS (80,9 cSt) pada 100°F (37,7°C).

Ketika fluida kerja melewati pompa hidrolik dan sistem, efek geser antara dua fasa menyebabkan emulsi HFB menunjukkan penurunan viskositas. Untuk memastikan komponen terlumasi dengan baik, viskositas emulsi HFB harus lebih tinggi daripada viskositas minyak petroleum biasa untuk sistem tersebut.

Masalah dengan emulsi minyak dalam air

Penyimpanan cairan tahan api berbasis air di dalam reservoir dapat menimbulkan masalah. Untuk emulsi HFB, dua masalah utama adalah pemisahan fasa dan pertumbuhan bakteri.

Pemisahan fasa

Emulsi HFB tidak dirancang untuk operasi suhu rendah. Pada 32°F (0°C), es mulai terbentuk; pada sekitar -10°F (-23,3°C), emulsi membeku sepenuhnya. Siklus pembekuan-pencairan menyebabkan pemisahan kedua fasa: pada titik beku air (32°F / 0°C), sebagian tetesan air dalam emulsi mengkristal menjadi es. Saat sistem memanas dan es mencair, emulsi tidak selalu terbentuk kembali—pada tahap ini cairan membuat komponen lebih rentan terhadap karat dan tidak lagi berfungsi sebagai pelumas yang baik.

Siklus pembekuan-pencairan berulang menyebabkan pemisahan permanen antara fasa air dan fasa minyak. Setelah terpisah, sangat sulit—bahkan mungkin tidak mungkin—untuk mengembalikan kedua fasa ke dalam keadaan teremulsi, dan ketahanan terhadap api menjadi perhatian serius.

Memeriksa terjadinya pemisahan fasa

Inspeksi visual digunakan untuk memeriksa apakah emulsi telah mengalami pemisahan fasa. Sulit menentukan di reservoir apakah kedua fasa tersebut telah terpisah — ambil sampel minyak, tuangkan ke dalam botol berleher lebar, lalu diamkan selama beberapa saat. Anda akan melihat air bebas mengendap di dasar botol.

Jika Anda mencurigai bahwa pemisahan fasa sangat parah, hubungi pemasok cairan Anda — mereka mungkin merekomendasikan penggantian cairan.

Pertumbuhan Bakteri

Dalam kondisi suhu yang sesuai, bakteri dapat tumbuh dalam emulsi HFB. Jumlah bakteri yang besar dapat menyumbat lubang katup pengatur aliran maupun elemen filter — semua efek ini membuat sistem menjadi tidak andal dan menyebabkan kegagalan fungsi.

Banyak emulsi HFB mengandung aditif bakteriostatik untuk mencegah hal ini.

Memeriksa pertumbuhan bakteri

Pertumbuhan bakteri dalam emulsi HFB dapat dideteksi secara visual dan melalui bau. Jika bakteri telah tumbuh dalam cairan, filter inlet tampak dilapisi lendir kental, dan cairan mengeluarkan bau busuk.

Jika terdapat pertumbuhan bakteri dalam emulsi, cairan tersebut kemungkinan besar perlu diganti.

Air-Glikol (HFC)

Air-glikol merupakan jenis lain cairan tahan api berbasis air. Cairan ini terbuat dari air dan glikol (etilen glikol), serta struktur kimianya sangat mirip dengan cairan antibeku otomotif.

Air-glikol biasanya berwarna merah atau merah muda. Komposisinya umumnya mengandung 60% glikol dan 40% air, dengan penambahan bahan pengental kimia untuk meningkatkan viskositas. Karena glikol benar-benar larut dalam air, cairan ini bersifat satu fasa—berbeda dengan emulsi, cairan ini tidak mengandung tetesan air dan glikol yang terpisah saat diamati di bawah mikroskop. Air-glikol bekerja dengan baik pada suhu rendah.

Membandingkan emulsi HFB dan air-glikol

Dengan membandingkan emulsi HFB dan air-glikol, kami menemukan:

1. Stabilitas emulsi HFB lebih buruk dibandingkan larutan air-glikol.
2. Emulsi HFB yang stabil memiliki sifat pelumasan yang lebih baik.
3. Emulsi HFB lebih murah.
4. Air-glikol memiliki ketahanan terhadap api yang lebih baik.
5. Air-glikol bekerja lebih baik pada suhu rendah.

Masalah dengan cairan hidrolik berbasis air

Penggunaan cairan tahan api berbasis air dalam reservoir hidrolik menimbulkan beberapa masalah. Dua masalah utama untuk emulsi HFB adalah penurunan masa pakai komponen dan penguapan air.

Pelumasan cairan berbasis air

Karena cairan tahan api berbasis air mengandung proporsi air yang besar guna mencapai ketahanan terhadap api, pelumasannya jauh lebih rendah dibandingkan minyak petroleum—ini merupakan kekurangan bawaan.

Meskipun aditif pelumas dan aditif pengilat telah ditambahkan, cairan tersebut tetap memperpendek masa pakai komponen selama penggunaan. Akibat efek negatif ini, cairan tahan api berbasis air umumnya tidak digunakan dalam sistem yang beroperasi di atas 1.800 psi (124 bar).

Di antara cairan HFA, emulsi HFB, dan air-glikol, emulsi HFB yang stabil memiliki kemampuan pelumasan terbaik; diikuti oleh air-glikol, kemudian HFA.

Tabel 4-1 Faktor pengurangan pelumasan relatif untuk cairan tahan api berbasis air dibandingkan minyak bumi. Faktor yang lebih tinggi berarti keausan komponen lebih besar.

Pengembunan air

Banyak produsen cairan merekomendasikan bahwa suhu operasi maksimum untuk cairan hidrolik berbasis air adalah 140°F (60°C), dan idealnya dipertahankan di bawah 120°F (49°C). Di atas 140°F (60°C), penguapan air yang berlebihan dapat terjadi.

Ketika air menguap dari cairan berbasis air, beberapa hal tidak diinginkan terjadi. Uap air yang keluar dari cairan mengembun pada permukaan komponen besi yang tidak terlindungi dan menyebabkan karat. Setelah jangka waktu tertentu, karat tersebut mengelupas dan menjadi sumber kontaminasi di seluruh sistem.

Cairan berbasis air umumnya mengandung inhibitor karat, namun setiap permukaan logam yang tidak terendam dalam cairan dan tidak terlindungi akan diserang oleh uap akibat penguapan.

Tahan api cairan berbasis air bergantung pada kandungan airnya, sehingga penguapan air mengurangi ketahanan terhadap api. Penguapan juga memengaruhi viskositas—pada cairan glukol-air, kehilangan air meningkatkan viskositas; sedangkan pada emulsi HFB, kehilangan air menurunkan viskositas dan dapat menyebabkan ketidakstabilan emulsi. Untuk mempertahankan ketahanan terhadap api yang optimal serta viskositas yang sesuai, kandungan air pada cairan tahan api berbasis air harus diperiksa secara berkala dan dijaga dalam kisaran konsentrasi yang sempit.

Gambar 4-11 Penguapan air dari cairan berbasis air. Penguapan mengurangi ketahanan terhadap api, mengubah viskositas, serta memungkinkan uap mengembun pada permukaan logam dan menyebabkan karat.

Cairan Hidrolik Tahan Api Sintetis (HFDR)

Cairan hidrolik tahan api sintetis adalah minyak buatan manusia yang dikenal memiliki ketahanan terhadap api yang tinggi, sementara sifat pelumasannya mendekati minyak bumi. Cairan tahan api sintetis yang paling umum digunakan adalah ester fosfat.

Catatan: Cairan tahan api sintetis tidak boleh dicampur dengan resin silikon, ester silikat, ester asam dibasik, senyawa ester poliol, polieter, atau cairan sintetis lainnya. Senyawa sintetis ini mungkin memiliki sifat khusus yang diperlukan untuk aplikasi tertentu, namun secara umum tidak dianggap tahan api.

Cairan ester fosfat berkinerja baik pada tekanan tinggi dan memiliki ketahanan api yang sangat baik, tetapi harganya mahal. Pada sistem bertekanan tinggi yang memerlukan ketahanan api, mengingat mahalnya biaya ester fosfat, dapat digunakan campuran antara ester fosfat dan minyak bumi. Campuran ini memberikan pelumasan yang dibutuhkan sistem, namun ketahanan apinya tidak sebaik ester fosfat murni.

Membandingkan cairan tahan api berbasis air dan cairan tahan api sintetis

Saat membandingkan cairan tahan api berbasis air dan cairan tahan api sintetis:

6. Cairan sintetis memiliki pelumasan yang lebih baik dan dapat beroperasi pada tekanan lebih tinggi.
7. Cairan sintetis lebih mahal.
8. Cairan sintetis memiliki ketahanan api yang lebih baik.
9. Cairan ester fosfat memiliki titik nyala sekitar 455°F (235°C), titik api sekitar 665°F (352°C), dan suhu pengapian spontan sekitar 1.150°F (621°C).

Cairan berbasis air tidak menunjukkan ketahanan terhadap api melalui titik nyala dan titik api—karena cairan tersebut mengandung air. Suhu pengapian spontan cairan air-glikol sekitar 1.100°F (593°C); untuk emulsi HFB, suhu pengapian spontannya sekitar 825°F (440,6°C).

Gambar 4-14 Empat jenis cairan tahan api dan drum penyimpanannya. Dari kiri: sintetis (ester fosfat), campuran ester fosfat-minyak, emulsi HFB, dan air-glikol.

Permasalahan dengan Cairan Hidrolik Tahan Api

Penggunaan cairan tahan api dalam sistem hidrolik menimbulkan sejumlah permasalahan, antara lain: kompatibilitas dengan segel dan lapisan pelindung, pembentukan buih serta retensi udara, dan pengendapan.

Kompatibilitas cairan tahan api

Bahan paling umum untuk segel dinamis dalam sistem minyak bumi adalah karet nitril (Buna-N). Bahan ini juga kompatibel dengan emulsi HFB dan glikol-air. Ketika suatu sistem beralih dari minyak bumi ke emulsi HFB atau glikol-air, jika segel yang ada terbuat dari karet nitril, segel tersebut tidak perlu diganti. Namun, apabila beralih ke cairan sintetis seperti ester fosfat, penggantian segel wajib dilakukan.

Ketika beralih dari minyak bumi ke cairan hidrolik berbasis air, masalah dapat muncul pada lapisan pelindung. Jika bagian dalam tangki reservoir dilapisi dengan cat atau pelapis yang kompatibel dengan minyak bumi, cairan berbasis air tersebut berpotensi melarutkan lapisan pelindung tersebut.

Air-glikol dan beberapa konsentrat kimia tidak kompatibel dengan logam tertentu. Cairan ini dapat mengkorosi seng, kadmium, magnesium, dan beberapa paduan aluminium, menghasilkan terak lengket yang menghalangi lubang katup dan filter serta dapat menyebabkan macetnya spool katup. Oleh karena itu, disarankan agar komponen yang mengandung logam-logam tersebut atau dilapisi logam-logam tersebut tidak digunakan bersama air-glikol. Komponen semacam itu antara lain pipa berlapis elektroplating, saringan filter berlapis seng atau kadmium, fitting pipa, dan aksesori tangki.

Bahan segel karet nitril umum yang digunakan untuk segel dinamis dalam sistem minyak bumi tidak cocok untuk ester fosfat atau campuran ester fosfat—cairan-cairan tersebut memerlukan fluoroelastomer (Viton), karet berbasis epoksi, atau bahan segel kompatibel lainnya.

Cairan tahan api sintetis dapat melarutkan cat dan pernis yang kompatibel dengan minyak bumi, tetapi tidak mengkorosi logam umum dalam sistem hidrolik.

Pembentukan busa dan retensi udara dalam cairan tahan api

Dibandingkan dengan minyak bumi, cairan tahan api berbasis air dan sintetis lebih rentan terhadap penahanan udara dan pembentukan busa. Setelah cairan kerja kembali ke tangki reservoir, cairan tahan api memerlukan waktu yang lebih lama di dalam reservoir untuk melepaskan seluruh gelembung udara yang terakumulasi.

Oleh karena itu, sistem yang menggunakan cairan tahan api harus memiliki tangki reservoir yang lebih besar dibandingkan sistem yang menggunakan minyak bumi.

pengendapan dalam Cairan Tahan Api

Ketika cairan tahan api kembali ke tangki reservoir, dibandingkan dengan minyak bumi, cairan ini lebih mudah mempertahankan kontaminan yang mengapung. Cairan seharusnya memungkinkan kontaminan berukuran sesuai mengendap ke dasar reservoir; namun, pada cairan tahan api, kontaminan tidak mengendap secara mudah.

Oleh karena itu, ketika suatu sistem menggunakan cairan hidrolik tahan api, hal pertama yang perlu dipertimbangkan adalah penerapan langkah-langkah filtrasi cairan yang baik, dan filter magnetik tidak boleh diabaikan.

Pedoman Pemeliharaan

Penyimpanan

Penyimpanan cairan hidrolik tahan api pada dasarnya sama seperti penyimpanan minyak petroleum — drum harus disimpan dalam posisi miring agar air tidak mengumpul di bagian atas dan meresap ke dalam.

Untuk emulsi HFB, terdapat persyaratan penyimpanan tambahan: karena siklus pembekuan-pencairan berulang memengaruhi stabilitasnya, cairan ini harus dijaga secara hati-hati agar tidak membeku selama penyimpanan.

Memindahkan cairan dari drum ke reservoir

Memindahkan cairan dari drum penyimpanan ke reservoir merupakan langkah penting lainnya. Sebelum melepas sumbat drum, bersihkan tutup drum dan siapkan semua peralatan serta perlengkapan yang diperlukan untuk proses pemindahan: selang fleksibel, pompa pemindah, corong, filter pengisian reservoir, serta tangan operator. Periksa bahwa nama merek dan viskositas cairan dalam drum sudah sesuai.

Jika pompa pemindah digunakan untuk memindahkan cairan tahan api, pastikan tidak ada sisa cairan jenis lain di dalam pompa, serta bahan pompa dan kelengkapannya kompatibel dengan cairan tersebut.

Setelah cairan tahan api dimasukkan ke dalam reservoir, cairan tersebut harus dirawat dan dipantau pada interval yang ditentukan. Perawatan minyak meliputi: pengisian ulang hingga batas minimum, penanganan kebocoran, serta penggantian elemen filter.

Cairan hidrolik berbasis air harus diperiksa secara rutin terhadap kandungan airnya—konsentrasinya harus dipertahankan dalam rentang yang sangat sempit; jika tidak, viskositas dan ketahanan terhadap api akan terpengaruh.

Secara umum, tidak disarankan menambahkan air ke emulsi HFB karena proses ini memerlukan re-emulsifikasi. Penambahan air ke larutan water-glycol memang umum dilakukan, namun hal ini tidak boleh dilakukan hanya dengan mengalirkan air dari selang taman langsung ke dalam reservoir. Air pengisi ulang tidak boleh mengandung endapan mineral yang dapat mengontaminasi sistem. Air suling atau air terdeionisasi cocok digunakan untuk larutan water-glycol; jumlah air yang harus ditambahkan ditentukan berdasarkan analisis laboratorium terhadap sampel minyak.

* HFA jarang digunakan dalam sistem tekanan tinggi karena pelumasan yang sangat buruk; batas tekanan lebih merupakan kendala praktis daripada kendala teknis.