L'olio a base di petrolio è un eccellente lubrificante; pertanto, i sistemi che lo utilizzano come mezzo di trasmissione dell'energia possono contare su una lunga e affidabile durata operativa. Tuttavia, in molti sistemi e applicazioni, l'olio a base di petrolio presenta un notevole svantaggio: sotto pressione, l'olio può fuoriuscire attraverso perdite generando una nebbia (spray oleoso). Questa nebbia è diventata la causa di numerosi incendi industriali.

Nell'uso comune, l'olio a base di petrolio comporta un rischio di incendio non particolarmente elevato, poiché l'olio minerale non si infiamma facilmente a temperatura ambiente e possiede una capacità di soffocamento della fiamma simile a quella di un fiammifero di legno. Tuttavia, quando le tubazioni ad alta pressione presentano piccole perdite, l'olio fuoriesce sotto forma di una nebbia finissima. Tale nebbia costituisce una miscela altamente infiammabile, facilmente accendibile: questo tipo di perdita può essere paragonato a un iniettore di carburante.

Negli ambienti industriali con rischio di incendio, la prima preoccupazione è la sicurezza dei lavoratori e la capacità di mantenere la produzione senza incendi accidentali. Se l’ambiente può generare fonti di accensione accidentali, sono necessari fluidi idraulici resistenti al fuoco. L’uso di tali fluidi comporta un aumento dei costi operativi (i fluidi resistenti al fuoco sono più costosi dell’olio minerale) e una riduzione della durata utile dei componenti.

Lo scopo di questo capitolo è identificare i fluidi idraulici resistenti al fuoco comunemente utilizzati nei sistemi idraulici, analizzare alcuni problemi legati al loro impiego e fornire linee guida per la manutenzione.

Determinazione della resistenza al fuoco

I fluidi resistenti al fuoco non sono incombustibili: come suggerisce il nome, sono semplicemente difficili da infiammare. Se un fluido resistente al fuoco viene riscaldato a una temperatura sufficientemente elevata, alla fine si infiammerà.

La resistenza al fuoco di un fluido specifico è determinata da tre misurazioni tecniche: punto di infiammabilità, punto di combustione e temperatura di autoaccensione. Il fluido di riferimento nelle seguenti tre descrizioni dei test è olio idraulico a base di petrolio.

Punto di Fiamma

Il punto di infiammabilità di un fluido è la temperatura alla quale deve essere riscaldato affinché rilasci dalla sua superficie una quantità sufficiente di vapore da accendersi se esposto a una fiamma. Per l’olio idraulico a base di petrolio, se riscaldato a 350–450 °F (176,6–232,2 °C), viene rilasciata una quantità di vapore sufficiente a provocare l’accensione alla presenza di una fiamma. Tuttavia, una volta rimossa la fiamma, la combustione cessa.

Punto di combustione

Il punto di combustione è la temperatura alla quale l’olio deve essere riscaldato affinché continui a bruciare anche dopo la rimozione della fiamma di prova. Al di sopra di tale temperatura, viene rilasciata dalla superficie dell’olio una quantità di vapore sufficiente a mantenere la combustione in modo autonomo, anche dopo che la sorgente di fiamma è stata allontanata.

Temperatura di autoaccensione

La temperatura di autoaccensione (AIT) è la temperatura alla quale l'olio si infiamma spontaneamente, senza alcuna fiamma o scintilla esterna.

I fluidi classificati come resistenti al fuoco presentano punti di infiammabilità, punti di accensione e temperature di autoaccensione più elevati rispetto agli oli idraulici a base di petrolio.

Tipi di fluidi idraulici resistenti al fuoco

I fluidi idraulici resistenti al fuoco possono essere suddivisi in due grandi categorie: a base d'acqua e sintetici.

Fluidi idraulici a base d'acqua

Il primo mezzo di lavoro idraulico fu l'acqua. L'acqua presenta alcuni svantaggi (soprattutto in termini di lubrificazione), ma è non infiammabile; pertanto, l'approccio iniziale, quando era richiesta una resistenza al fuoco, consisteva semplicemente nel tornare all'uso dell'acqua. Tuttavia, poiché è necessaria una certa lubrificazione, olio e acqua venivano emulsionati insieme.

Emulsione di acqua in olio (emulsione A/O)

Questo è un fluido ignifugo a base acquosa composto da acqua e olio. Non si tratta di una soluzione, poiché olio e acqua non sono tra loro miscibili. In questo fluido, l'olio viene disperso in goccioline estremamente fini mediante un emulsionante chimico e distribuito uniformemente nell'acqua, il che ne migliora le caratteristiche lubrificanti. Quando questo fluido entra in contatto con una fiamma, l'acqua si trasforma in vapore e soffoca l'incendio.

Questo fluido bifase acqua/olio è denominato emulsione. Nel periodo in cui questo tipo di fluido era ampiamente utilizzato, il rapporto tipico era del 60% di acqua e del 40% di olio, con l'acqua come fase continua e l'olio come goccioline disperse.

Fluidi ad alta percentuale d'acqua (HFA)

Si tratta di un fluido resistente al fuoco in cui l'acqua è il componente principale. Attualmente, ad eccezione dei sistemi in cui vengono perse grandi quantità di fluido di lavoro a causa di perdite, questo tipo è raramente utilizzato nei sistemi idraulici: i sistemi che lo impiegano sacrificano una minore durata dei componenti in cambio di alcuni vantaggi economici, poiché il fluido è relativamente economico (l'acqua costituisce almeno il 90% del contenuto).

Un'emulsione con un contenuto di olio compreso tra l'1% e il 10% è denominata fluido ad alta percentuale di acqua (soluzione olio-in-acqua). Se qualcuno afferma che il proprio sistema utilizza una "soluzione al 5% di olio", ciò significa che è costituita per il 95% da acqua e per il 5% da olio, ovvero con una concentrazione chimica di 95:5.

Emulsione olio-in-acqua (HFB)

Le moderne emulsioni acqua/olio utilizzate nei sistemi idraulici sono fluidi di colore bianco-latteo costituiti per il 60% da olio e per il 40% da acqua — il rapporto è invertito rispetto al precedente tipo HFA (60% acqua e 40% olio). Poiché il componente principale di questo fluido è l'olio, mentre l'acqua costituisce la fase dispersa, l'emulsione HFB offre una lubrificazione migliore rispetto all'HFA, ma la sua resistenza al fuoco è leggermente ridotta.

viscosità delle emulsioni acqua/olio

Come l’olio minerale, la viscosità è una proprietà importante delle emulsioni acqua/olio. Poiché il fluido HFA contiene almeno il 90% di acqua, la sua viscosità è essenzialmente quella dell’acqua, rendendolo un lubrificante relativamente scadente.

D’altra parte, sebbene l’emulsione HFB sia composta per circa il 60% da olio, ciò non significa che la sua viscosità corrisponda a quella dell’olio di base. A causa dell’effetto di taglio tra le due fasi, l’emulsione HFB presenta una viscosità inferiore a quella prevista. Per garantire una lubrificazione adeguata dei componenti del sistema, l’emulsione HFB utilizzata deve avere una viscosità superiore rispetto all’olio minerale normalmente impiegato nel sistema. Ad esempio, se un sistema utilizza un olio minerale con viscosità di 150 SUS (32 cSt) a 100 °F (37,7 °C), l’emulsione HFB dovrebbe avere una viscosità di 375 SUS (80,9 cSt) a 100 °F (37,7 °C).

Quando il fluido di lavoro passa attraverso la pompa idraulica e il sistema, l'effetto di taglio tra le due fasi fa sì che l'emulsione HFB presenti una diminuzione della viscosità. Per garantire una buona lubrificazione dei componenti, la viscosità dell'emulsione HFB deve essere superiore a quella dell'olio minerale normale utilizzato in quel sistema.

Problemi relativi alle emulsioni olio-in-acqua

L’immagazzinamento di fluidi resistenti al fuoco a base acquosa in un serbatoio può causare problemi. Per l’emulsione HFB, i due principali problemi sono la separazione di fase e la crescita batterica.

Separazione di Fase

Le emulsioni HFB non sono progettate per il funzionamento a basse temperature. A 32 °F (0 °C) inizia a formarsi ghiaccio; a circa -10 °F (-23,3 °C) l'emulsione si congela completamente. I cicli di congelamento-scongelamento provocano la separazione delle due fasi: al punto di congelamento dell'acqua (32 °F / 0 °C), alcune delle goccioline d'acqua presenti nell'emulsione si solidificano in cristalli di ghiaccio. Quando il sistema si riscalda e il ghiaccio si scioglie, l'emulsione non si riforma necessariamente — a questo punto il fluido rende i componenti più soggetti alla ruggine e non è più un buon lubrificante.

I cicli ripetuti di congelamento-scongelamento causano una separazione permanente delle fasi acqua e olio. Una volta separate, è molto difficile, se non impossibile, riportare le due fasi in uno stato emulsionato, e la resistenza al fuoco diventa una preoccupazione seria.

Verifica della separazione di fase

L'ispezione visiva viene utilizzata per verificare se l'emulsione ha subito separazione di fase. È difficile stabilire nel serbatoio se le due fasi si sono separate: prelevare un campione dell'olio, versarlo in una bottiglia a bocca larga e lasciarlo riposare per qualche tempo. Eventuale acqua libera si depositerà sul fondo della bottiglia.

Se si sospetta che la separazione di fase sia grave, contattare il fornitore del fluido: potrebbe consigliare la sostituzione del fluido.

Crescita Batterica

In condizioni di temperatura idonee, i batteri possono proliferare nell'emulsione HFB. Un elevato numero di batteri può ostruire gli orifizi delle valvole di regolazione del flusso e gli elementi filtranti: tutti questi effetti rendono il sistema poco affidabile e ne causano il malfunzionamento.

Molte emulsioni HFB contengono additivi batteriostatici per prevenire questo fenomeno.

Rilevamento della crescita batterica

La crescita batterica nell'emulsione HFB può essere rilevata visivamente e mediante olfatto. Se i batteri si sono sviluppati nel fluido, il filtro di aspirazione appare ricoperto da una melma viscosa e il fluido emana un odore sgradevole.

Se è presente una crescita batterica nell'emulsione, è probabile che il fluido debba essere sostituito.

Glicole acquoso (HFC)

Il glicole acquoso è un altro tipo di fluido ignifugo a base d'acqua. È composto da acqua e glicole (glicole etilenico) e la sua struttura chimica è molto simile a quella dell'antigelo per autoveicoli.

Il glicole acquoso è solitamente di colore rosso o rosa. Contiene tipicamente il 60% di glicole e il 40% di acqua, con aggiunta di agenti chimici addensanti per aumentarne la viscosità. Poiché il glicole si dissolve effettivamente in acqua, questo fluido è monofase — a differenza delle emulsioni, non contiene goccioline distinte di acqua e glicole quando osservato al microscopio. Il glicole acquoso funziona bene a basse temperature.

Confronto tra emulsione HFB e glicole acquoso

Confrontando l'emulsione HFB e il glicole acquoso, riscontriamo:

1. La stabilità dell'emulsione HFB è inferiore a quella della soluzione a base di glicole acquoso.
2. Un'emulsione HFB stabile offre una lubrificazione migliore.
3. L'emulsione HFB è più economica.
4. Il glicole acquoso presenta una migliore resistenza al fuoco.
5. Il glicole acquoso funziona meglio a basse temperature.

Problemi con i fluidi idraulici a base d'acqua

L'utilizzo di un fluido idraulico resistente al fuoco a base d'acqua in un serbatoio idraulico genera alcuni problemi. I due principali inconvenienti dell'emulsione HFB sono la riduzione della durata utile dei componenti e l'evaporazione dell'acqua.

Lubrificazione con fluidi a base d'acqua

Poiché i fluidi idraulici resistenti al fuoco a base d'acqua contengono una percentuale elevata di acqua per garantire la resistenza al fuoco, il loro potere lubrificante è molto inferiore a quello degli oli minerali: si tratta di un limite intrinseco.

Anche se contengono additivi lubrificanti e additivi oleosi, questi fluidi riducono comunque la durata utile dei componenti in esercizio. A causa di questo effetto negativo, i fluidi idraulici resistenti al fuoco a base d'acqua non vengono generalmente impiegati in sistemi operanti a pressioni superiori a 1.800 psi (124 bar).

Tra i fluidi HFA, l'emulsione HFB e il glicole acquoso, l'emulsione HFB stabile offre la migliore lubrificazione, seguita dal glicole acquoso e quindi dall'HFA.

Tabella 4-1: Fattori relativi di riduzione della lubrificazione per fluidi idraulici resistenti al fuoco a base d’acqua rispetto all’olio minerale. Un fattore più elevato indica un maggiore usura dei componenti.

Evaporazione dell'acqua

Molti produttori di fluidi raccomandano che la temperatura massima di esercizio per i fluidi idraulici a base d’acqua sia di 140 °F (60 °C) e, idealmente, venga mantenuta al di sotto dei 120 °F (49 °C). Al di sopra dei 140 °F (60 °C) può verificarsi un’eccessiva evaporazione dell’acqua.

Quando l’acqua evapora dal fluido a base d’acqua, si verificano diversi effetti indesiderati. Il vapore acqueo che fuoriesce dal liquido si condensa sulle superfici metalliche non protette in ferro, causando ruggine. Dopo un certo periodo, la ruggine si stacca sotto forma di scaglie, diventando una fonte di contaminazione diffusa nell’intero sistema.

I fluidi a base d’acqua contengono generalmente inibitori della ruggine, ma qualsiasi superficie metallica non protetta e non immersa nel fluido verrà attaccata dal vapore generato dall’evaporazione.

La resistenza al fuoco dei fluidi a base acquosa dipende dal contenuto di acqua, pertanto l'evaporazione dell'acqua riduce la resistenza al fuoco. L'evaporazione influisce anche sulla viscosità: nei fluidi a base di glicole-acqua, la perdita di acqua aumenta la viscosità; nelle emulsioni HFB, la perdita di acqua riduce la viscosità e può rendere l'emulsione instabile. Per mantenere un'ottimale resistenza al fuoco e una viscosità adeguata, il contenuto di acqua dei fluidi idraulici resistenti al fuoco a base acquosa deve essere controllato regolarmente e mantenuto entro un ristretto intervallo di concentrazione.

Figura 4-11: Evaporazione dell'acqua dai fluidi a base acquosa. L'evaporazione riduce la resistenza al fuoco, modifica la viscosità e consente al vapore di condensarsi sulle superfici metalliche causando ruggine.

Fluidi idraulici sintetici resistenti al fuoco (HFDR)

I fluidi idraulici sintetici resistenti al fuoco sono oli di sintesi noti per la loro elevata resistenza al fuoco, mentre le loro proprietà lubrificanti sono simili a quelle degli oli minerali. Il fluido sintetico resistente al fuoco più comunemente utilizzato è l'estere fosforico.

Nota: I fluidi sintetici resistenti al fuoco non devono essere miscelati con resine siliconiche, esteri silicati, esteri di acidi dibasici, composti esteri di polioli, polieteri o altri fluidi sintetici. Questi composti sintetici possono possedere proprietà specifiche necessarie per determinate applicazioni, ma in generale non sono considerati resistenti al fuoco.

Il fluido a base di esteri fosfatici funziona bene ad alta pressione e presenta un’eccellente resistenza al fuoco, ma è costoso. Nei sistemi ad alta pressione con requisiti di resistenza al fuoco, a causa del costo degli esteri fosfatici, può essere utilizzata una miscela di estere fosfatico e olio minerale. Questa miscela fornisce la lubrificazione necessaria al sistema, ma la sua resistenza al fuoco non è paragonabile a quella dell’ester fosfatico puro.

Confronto tra fluidi resistenti al fuoco a base acquosa e sintetici

Nel confrontare i fluidi resistenti al fuoco a base acquosa e quelli sintetici:

6. I fluidi sintetici offrono una migliore lubrificazione e possono operare a pressioni più elevate.
7. I fluidi sintetici sono più costosi.
8. I fluidi sintetici presentano una migliore resistenza al fuoco.
9. Il fluido a base di estere fosfato ha un punto di infiammabilità di circa 455 °F (235 °C), un punto di combustione di circa 665 °F (352 °C) e una temperatura di autoaccensione di circa 1.150 °F (621 °C).

I fluidi a base d'acqua non esprimono la resistenza al fuoco mediante il punto di infiammabilità e il punto di combustione, poiché contengono acqua. La temperatura di autoaccensione del glicole-acqua è di circa 1.100 °F (593 °C); per l'emulsione HFB, la temperatura di autoaccensione è di circa 825 °F (440,6 °C).

Figura 4-14: Quattro tipi di fluidi resistenti al fuoco e i relativi fusti di stoccaggio. Da sinistra: sintetico (estere fosfato), miscela di estere fosfato e olio, emulsione HFB e glicole-acqua.

Problemi legati ai fluidi idraulici resistenti al fuoco

L’uso di fluidi resistenti al fuoco nei sistemi idraulici comporta alcuni problemi, tra cui: compatibilità con guarnizioni e rivestimenti protettivi, formazione di schiuma e ritenzione d’aria, e sedimentazione.

Compatibilità dei fluidi resistenti al fuoco

Il materiale più comune per le guarnizioni dinamiche nei sistemi a olio minerale è la gomma nitrilica (Buna-N). Questo materiale è compatibile anche con l'emulsione HFB e con il fluido glicolico acquoso. Quando un sistema passa dall'olio minerale all'emulsione HFB o al fluido glicolico acquoso, se le guarnizioni esistenti sono in gomma nitrilica, non è necessario sostituirle. Tuttavia, nel caso di passaggio a un fluido sintetico, come l'estere fosforico, è richiesta la sostituzione delle guarnizioni.

Quando si passa dall'olio minerale a un fluido idraulico a base acquosa, possono verificarsi problemi relativi ai rivestimenti protettivi. Se l'interno del serbatoio è protetto da un rivestimento o da una vernice compatibile con l'olio minerale, il fluido a base acquosa potrebbe sciogliere tali rivestimenti.

I fluidi a base di acqua-glicole e alcuni concentrati chimici sono incompatibili con determinati metalli. Possono corrodere zinco, cadmio, magnesio e alcune leghe di alluminio, generando una scoria adesiva che ostruisce gli orifizi delle valvole e i filtri e può causare l'incollaggio dello spool della valvola. Si raccomanda pertanto di non utilizzare componenti contenenti tali metalli o placcati con tali metalli insieme a fluidi a base di acqua-glicole. Tali componenti possono includere tubazioni elettrodeposte, schermi filtranti zincati o cadmiati, raccordi per tubazioni e accessori per serbatoi.

Il comune materiale di tenuta in gomma nitrilica utilizzato per le tenute dinamiche nei sistemi a olio minerale non è compatibile con gli esteri fosfatici o con le miscele contenenti esteri fosfatici: questi fluidi richiedono elastomeri fluorurati (Viton), gomme a base di resina epossidica o altri materiali di tenuta compatibili.

I fluidi sintetici resistenti al fuoco possono sciogliere vernici e vernici protettive compatibili con l’olio minerale, ma non corrodono i metalli più comuni presenti in un sistema idraulico.

Formazione di schiuma e ritenzione d’aria nei fluidi resistenti al fuoco

Rispetto all'olio minerale, i fluidi resistenti al fuoco a base acquosa e sintetici tendono maggiormente a trattenere aria e a schiumare. Dopo che il fluido di lavoro ritorna nel serbatoio, il fluido resistente al fuoco necessita di un tempo più lungo nel serbatoio per rilasciare tutte le bolle d'aria accumulate.

Pertanto, i sistemi che utilizzano fluidi resistenti al fuoco devono essere dotati di un serbatoio di dimensioni maggiori rispetto a quelli che utilizzano olio minerale.

sedimentazione nei fluidi resistenti al fuoco

Quando il fluido resistente al fuoco ritorna nel serbatoio, rispetto all'olio minerale trattiene più facilmente le impurità galleggianti. Il fluido dovrebbe consentire a qualsiasi impurità di dimensioni appropriate di sedimentare sul fondo del serbatoio, ma nei fluidi resistenti al fuoco le impurità non sedimentano con altrettanta facilità.

Pertanto, quando un sistema utilizza un fluido idraulico resistente al fuoco, la prima cosa da considerare è l'adozione di efficaci misure di filtrazione del fluido, senza trascurare i filtri magnetici.

Linee Guida per la Manutenzione

Conservazione

L'immagazzinamento del fluido idraulico resistente al fuoco è essenzialmente identico a quello dell'olio minerale: i fusti devono essere conservati di lato, in modo che l'acqua non si accumuli nella parte superiore e non penetri all'interno.

Per l'emulsione HFB esiste un ulteriore requisito di stoccaggio: poiché cicli ripetuti di congelamento e scongelamento ne compromettono la stabilità, durante lo stoccaggio occorre prevenire con attenzione il congelamento.

Trasferimento del fluido dal fusto al serbatoio

Il trasferimento del fluido dai fusti di stoccaggio al serbatoio costituisce un altro passaggio fondamentale. Prima di rimuovere il tappo del fusto, pulire il coperchio del fusto e preparare tutti gli strumenti e le attrezzature necessari per il processo di trasferimento: tubo flessibile, pompa di trasferimento, imbuto, filtro di riempimento del serbatoio e le mani dell'operatore. Verificare che la marca e la viscosità del fluido contenuto nel fusto siano corrette.

Se per spostare il fluido resistente al fuoco si utilizza una pompa di trasferimento, accertarsi che non vi sia alcun residuo di un fluido di tipo diverso all'interno della pompa e che i materiali della pompa e le relative connessioni siano compatibili con il fluido.

Dopo aver versato il fluido resistente al fuoco nel serbatoio, esso deve essere sottoposto a manutenzione e monitoraggio agli intervalli specificati. La manutenzione dell'olio comprende: il rabbocco fino al livello minimo, la gestione delle perdite e la sostituzione degli elementi filtranti.

Il fluido idraulico a base acquosa deve essere controllato regolarmente per il contenuto di acqua: la concentrazione deve essere mantenuta entro un intervallo molto ristretto; in caso contrario ne risentiranno viscosità e resistenza al fuoco.

In generale non è consigliabile aggiungere acqua a un'emulsione HFB, poiché ciò richiede un processo di riemulsificazione. L'aggiunta di acqua a una soluzione glicolica è invece comune, ma non deve essere effettuata semplicemente collegando un tubo da giardino al serbatoio. L'acqua di rabbocco non deve contenere depositi minerali che potrebbero contaminare il sistema. Per le soluzioni glicoliche sono adatte acqua distillata o deionizzata; la quantità da aggiungere deve essere determinata mediante analisi di laboratorio del campione di olio.

* HFA è raramente utilizzato nei sistemi ad alta pressione a causa della sua scarsissima lubrificazione; il limite di pressione è più una limitazione pratica che tecnica.