제3장: 석유 기반 유압 오일

에너지 전달 외에도 석유 기반 오일은 또 하나의 핵심 기능을 수행합니다: 윤활. 이 두 가지 기능 — 에너지 전달과 윤활 — 은 모두 점도에 크게 영향을 받습니다. 따라서 점도는 유압 오일의 가장 중요한 특성입니다.

윤활

윤활은 서로 접촉하고 상대적으로 움직이는 두 표면 사이의 마찰을 줄이는 과정입니다.

윤활은 유압 오일의 핵심 기능 중 하나입니다. 윤활이 없으면 움직이는 부품 간 마찰로 인해 과도한 마모가 발생하고 열이 발생합니다.

마찰

마찰은 운동을 방해하는 힘이다. 겉보기에는 매끄러워 보이는 표면조차도 미세하게 거칠다. 두 표면이 서로 문질러질 때, 이러한 미세한 돌기들이 접촉하여 변형되고, 일시적으로 용접되며 다시 떨어지는데, 이 떨어지는 과정이 바로 마찰이다. 표면이 거칠수록 미끄러짐에 필요한 힘이 커지고, 발생하는 마찰력도 더 커진다.

그림 3-1 두 표면의 미세한 돌기들이 접촉하여 일시적으로 용접된 후, 표면이 미끄러질 때 떨어지면서 마찰이 발생한다.

유막

두 금속 표면 사이에 유막이 존재하면 직접적인 금속 간 접촉이 제거된다. 이 경우 표면들은 서로가 아닌 유막 위에서 미끄러지게 되어, 마찰이 급격히 감소한다.

어떤 액체라도 유막을 형성할 수 있으나, 일부 액체는 다른 액체보다 그 성능이 우수하다. 예를 들어, 물은 최초의 유압 작동유로 사용되었으나, 그 유막은 약하고 쉽게 파열된다. 반면 석유 기반 유압 오일은 훨씬 강하고 내구성이 높은 유막을 형성한다.

윤활성

윤활성(lubricity)은 파열되기 어려운 유막을 형성하는 액체의 능력을 말하며, 다음 요인에 따라 달라진다:

1. 액체의 자연스러운 필름 두께.
2. 액체가 금속 표면에 달라붙는(부착되는) 능력.

석유 기반 유압 오일은 뛰어난 윤활성을 갖추고 있습니다. 강판 위에 이 오일을 부으면, 넓고 두꺼운 오일 필름이 표면 전체를 덮고 그대로 유지됩니다. 같은 강판 위에 물을 부으면 얇은 필름이 형성되지만 쉽게 파열됩니다. 수은을 부으면 구형으로 뭉쳐지는데, 이는 수은이 강철에 거의 부착되지 않기 때문에 윤활성이 매우 낮음을 의미합니다.

그림 3-2 윤활성 비교. 우수한 윤활성을 위해서는 자연스럽게 두꺼운 필름과 금속 표면에 대한 강한 부착력이라는 두 가지 조건을 모두 충족해야 합니다. 오일은 이 두 가지 측면에서 모두 우위를 점합니다.

적절한 유압 오일 점도는 두 가지 요구 사항 사이에서 균형을 맞춰야 합니다: 오일은 충분히 두꺼워서 좋은 필름을 형성할 수 있어야 하며, 동시에 자유롭게 흐를 수 있을 만큼 유동성이 있어야 합니다. 이러한 균형에 대해서는 다음 단원에서 자세히 살펴보겠습니다.

점도가 시스템에 미치는 영향

유압 시스템 내에서 오일은 두 가지 중요한 기능을 수행합니다:

3. 에너지 전달 매체로서의 역할(제2장 참조).
4. 내부 움직이는 부품에 대한 윤활제로서의 역할.

이 두 기능과 그 시스템에 미치는 궁극적인 영향은 모두 점도에 크게 좌우된다. 먼저 점도를 정의한 후, 점도가 열 발생, 윤활, 동적 윤활, 간극 유동 등에 미치는 영향을 살펴보자.

액체 분자

모든 액체와 마찬가지로 석유 기반 유압 오일도 서로 끌어당기는 분자로 구성되어 있다. 액체 내 분자 간 인력은 기체보다 훨씬 강하지만 고체(분자가 고정된 위치에 결합되어 있는 상태)보다는 약하다. 액체 분자는 서로 미끄러질 수 있기 때문에 액체는 지속적으로 흐를 수 있다.

점도

점도는 액체 분자들이 서로 미끄러지는 흐름을 저항하는 성질로서, 일종의 내부 마찰이다. 점도가 높은 액체(예: 꿀 또는 당밀)는 흐르는 속도가 느리고 큰 저항을 받는다. 반면 점도가 낮은 액체(예: 물 또는 식용유)는 쉽게 흐른다.

온도가 점도에 미치는 영향

위에서 언급한 바와 같이, 액체는 서로를 끌어당기는 지속적인 운동을 하는 분자들로 구성되어 있습니다. 분자들이 천천히 움직일 때, 이들 사이의 인력이 강해지고 흐름에 대한 저항이 커지며 — 점도가 높아집니다. 반면 분자들이 빠르게 움직일 때(가열 시), 인력은 약해지고 점도는 감소합니다.

냉장고에서 꺼낸 차가운 멜라스는 점도가 매우 높아서 천천히, 그리고 힘들게 붓습니다. 이를 스토브 위에서 가열하면 분자들의 운동 속도가 빨라지고, 인력은 약해지며 점도는 낮아져서 깔때기를 통해 쉽게 흘러갑니다.

세이볼트 일반 초(SUS/SSU)

유류의 점도를 측정하는 방법 중 하나는 세이볼트 일반 초(SUS, 또는 SSU라고도 함)를 사용하는 것입니다. SI 단위는 센티스토크(cSt)입니다. SUS는 1919년 미국 표준국(US Bureau of Standards)에 세이볼트 점도계(Saybolt viscometer)를 제안한 조지 세이볼트(George Saybolt)의 이름에서 유래했습니다.

방법: 액체를 용기에 붓고 시험 온도까지 가열합니다. 하부 마개를 뽑는 동시에 스톱워치를 시작합니다. 정확히 60 mL의 액체가 플라스크로 유출될 때 스톱워치를 멈춥니다. 경과된 시간(초)이 해당 온도에서의 SUS 점도입니다.

예시: 100°F(37.7°C)로 가열된 오일이 배출되는 데 143초가 걸린다면, 그 점도는 143 SUS @ 100°F(37.7°C)입니다. 동일한 오일을 130°F(54.4°C)로 가열했을 때 82초가 걸렸다면, 점도 = 82 SUS(17.7 cSt) @ 130°F(54.4°C)입니다. 점도는 항상 온도에 따라 달라지므로, 반드시 점도 값과 그에 대응하는 온도를 함께 명시해야 합니다. "150 SUS(32 cSt)"라는 표현은 온도를 명시하지 않았지만, 이는 암묵적으로 150 SUS(32 cSt) @ 100°F(37.7°C)를 의미합니다.

그림 3-5 세이볼트 점도계. 오일을 설정된 온도까지 가열한 후, 정확히 60 mL가 플라스크로 유출되는 데 걸리는 시간을 측정합니다. 이 시간(초)이 바로 SUS 점도입니다.

압력이 점도에 미치는 영향

점도는 또한 시스템 압력에 따라 변합니다. 압력이 증가함에 따라 점도도 함께 증가합니다(그림의 곡선으로 나타남). 압력이 0에서 3,000 psi(207 bar)로 증가하면 일반적인 산업용 유압 오일의 점도는 약 40% 상승할 수 있습니다.

그림 3-6 점도는 압력 증가에 따라 상승합니다. 3,000 psi(207 bar)에서 점도는 대기압 조건보다 최대 40% 높아질 수 있습니다.

점도가 열 발생에 미치는 영향

점도는 열 발생에 직접적인 영향을 미칩니다. 고점도 오일(예: 500 SUS / 107.9 cSt)은 저점도 오일(예: 150 SUS / 32 cSt)보다 내부 유동 저항이 크므로 시스템 내에서 더 많은 열을 발생시킵니다.

대부분의 유압 시스템에서 작동 점도 범위는 100°F(37.7°C) 기준 150–250 SUS(32–53.9 cSt)입니다.

점도가 윤활에 미치는 영향

점도는 유동에 대한 저항이므로, 원치 않는 특성처럼 보일 수 있습니다. 그러나 점도는 윤활 작용에 매우 큰 영향을 미치며, 우수한 오일 필름 형성에 있어 극히 중요합니다. 점도가 높을수록 오일 필름은 두꺼우면서도 강력해집니다. 하지만 오일은 또한 자유롭게 흐를 수 있어야 하므로, 적절한 점도는 이 두 가지 요구 사항을 균형 있게 충족시켜야 합니다.

그림 3-7 오일 필름 두께는 점도에 따라 달라집니다. 높은 점도는 두꺼운 필름을 형성하지만 유동 저항을 증가시킵니다. 낮은 점도는 유동이 용이하지만, 얇은 필름은 하중에 의해 파손될 수 있습니다.

점도가 동적(유압식) 윤활 작용에 미치는 영향

단단한 오일 필름을 형성하는 능력은 석유 기반 유압 오일의 중요한 특성입니다. 이를 ‘윤활성(lubricity)’이라고 부릅니다. 고속으로 움직이는 부품은 속도 때문에 오일 필름이 씻겨 나가기 어려울 것 같지만, 실제로는 액체의 점도가 일반적으로 이러한 현상을 방지합니다.

정지 상태의 금속 블록이 기름이 도포된 금속 표면 위에 놓여 있고, 외부 힘이 이 블록을 밀면 블록의 선단 가장자리가 약간 들뜨게 된다. 기름은 점성 때문에 압착되어 빠져나가려는 것을 저항하며, 블록 아래에 기름 웨지(oil wedge)가 형성된다. 이 웨지는 블록이 이동할 때 블록을 지지해 주는데, 마치 물 위를 달리는 보트와 같다. 이동 중인 블록에 작용하는 압력이 일정 범위 내에 유지되는 한, 기름 웨지는 두 표면 간 직접적인 금속 접촉을 방지한다. 이를 동적(유수력학적) 윤활이라고 한다.

물과 같은 저점도 액체는 저속·고하중 조건에서 쉽게 압착되어 빠져나가므로, 웨지가 충분히 형성되지 못하고 유막이 쉽게 파열된다.

시스템 구성 요소가 운동 중일 때는 유수력학적 과정이 우수한 윤활을 제공하지만, 시동 시 또는 구성 요소를 구동하는 압력이 과도할 경우, 기름이 견고한 유막을 형성하는 능력(윤활성)이 매우 중요해진다.

그림 3-8 유체역학적 윤활. 블록이 움직이면 하중을 지지하고 표면 간의 금속 대 금속 접촉을 방지하는 오일 웨지가 형성된다.

압력이 점도에 미치는 영향

점도는 또한 오일이 움직이는 부품들 사이의 밀착 간극을 얼마나 잘 밀봉하는지에도 영향을 미친다. 많은 유압 부품(펌프, 모터, 밸브 등)은 금속 대 금속 밀봉에 의존한다 — 예를 들어 피스톤 펌프에서 피스톤과 실린더 보어 사이에는 고무 씰이 없으며, 오직 간극 내에 얇은 오일 막만 존재한다.

이러한 부품들 사이의 간극은 고정 오리피스처럼 작용하여 지속적으로 소량의 누출 흐름을 절류한다. 이 누출 흐름은 윤활과 밀봉이라는 두 가지 기능을 수행한다. 누출량이 너무 적으면 윤활이 부족해지고, 너무 많으면 시스템에서 유량이 손실되며 효율이 저하되고 불필요한 열이 발생한다.

최상의 밀봉 성능을 얻기 위해서는 간극을 가능한 한 작게 유지해야 하지만, 오일이 윤활 기능을 수행할 수 없을 정도로 작아서는 안 되며, 과도한 누출이 발생할 정도로 커서도 안 됩니다. 최적의 간극은 밀봉 성능과 윤활 성능 사이의 균형을 이룹니다.

오일 점도가 너무 낮을 경우(오일이 너무 희석될 경우), 간극을 통한 누출량이 과도해집니다. 이로 인해 액추에이터에 도달하는 유량이 감소하고 불필요한 열이 발생합니다. 반면 점도가 너무 높을 경우, 유막은 여전히 형성되지만 유동 저항이 증가하여 시스템 효율이 저하됩니다.

그림 3-9: 낮은 점도가 내부 누출에 미치는 영향. 희석된 오일을 사용하면 금속 대 금속 간극을 통한 누출량이 증가하여 액추에이터에 도달하는 유량이 감소합니다.

점도 지수

유압 오일의 점도는 유압 시스템에서 중요한 파라미터입니다. 그러나 점도는 온도에 따라 변하기 때문에, 시스템이 일정한 작동 온도를 유지할 수 없는 경우, 오일 점도는 작동 온도 범위 전반에 걸쳐 상대적으로 안정적이어야 합니다.

점도 지수(VI, Viscosity Index)는 온도 변화에 따른 점도의 변화 정도를 나타내는 지표입니다. 이 관계는 ASTM(American Society for Testing and Materials, 미국재료시험학회) 표준 점도-온도 도표를 사용합니다. 즉, 오일의 두 가지 서로 다른 온도에서 측정된 점도 값을 이 도표 상에 점으로 표시하면, 그 점들을 연결한 직선이 얻어집니다. 이 직선을 통해 다른 임의의 온도에서의 점도 값을 읽을 수 있습니다(이 방법은 화학 첨가제를 포함하지 않은 기유(base oil)에만 유효합니다. 첨가제는 자연스러운 점도-온도 관계에 영향을 줄 수 있습니다).

두 오일의 점도-온도 곡선을 동일한 도표에 함께 표시할 경우, 더 수평에 가까운 곡선을 갖는 오일이 점도 지수가 높은 오일입니다. 예를 들어:

• 오일 A: 100°F(37.7°C)에서 153 SUS(33 cSt), 210°F(98.9°C)에서 44 SUS(9.5 cSt).
• 오일 B: 100°F(37.7°C)에서 165 SUS(35.6 cSt), 210°F(98.9°C)에서 42 SUS(9.1 cSt).

오일 A의 곡선이 더 평탄하므로, 온도 변화에 따른 점도 변화가 작고, 따라서 오일 A의 점도 지수가 더 높습니다.

VI 개념이 처음 도입되었을 때, VI 척도는 0(최악, 온도에 가장 민감함)에서 100(최고, 온도에 가장 덜 민감함)까지 설정되었다. 현대 정제 기술을 통해 VI가 100을 초과하는 윤활유를 생산할 수 있다. 현대 유압 시스템에서는 일반적으로 VI ≥ 90이 요구되지만, 비교적 일정한 온도에서 작동하는 시스템의 경우 VI의 중요성은 상대적으로 낮아진다.

그림 3-10 ASTM 점도-온도 차트. 선이 수평에 가까울수록 점도지수(VI)가 높으며, 이는 유체의 점도가 온도 변화에 덜 민감함을 의미한다.

유압유 작동 범위

석유 기반 유압유는 유압 시스템용으로 우수한 윤활제이지만, 최적의 성능을 발휘할 수 있는 특정 점도 범위가 있다. 유압유의 점도가 너무 낮으면 유막이 지나치게 얇아져(물처럼) 부품 마모가 발생한다. 반면 점도가 너무 높으면 유압유가 베어링 내부로 충분히 빠르게 유입되지 못해 부품에 윤활유 공급이 부족해진다.

회전 부품 — 유압 펌프 및 모터 — 특히 우수한 베어링 윤활이 필요합니다. 펌프 제조사는 자사 제품에 적합한 점도 범위를 명시합니다. 이러한 부품이 적절히 윤활되면, 시스템의 다른 모든 구성 요소도 충분히 윤활됩니다.

필요한 점도 범위가 파악된 후, 시스템의 작동 온도 범위에 따라 구체적인 유압 오일을 선택하게 됩니다. 예를 들어, 시스템이 70–250 SUS(15–54 cSt)의 점도를 요구하고 작동 온도가 80–140°F(26.7–60°C)인 경우, 오일 Y를 선택하십시오. 온도 범위가 110–170°F(43.3–76.7°C)인 경우에는 오일 Z를 선택하십시오.

산업 환경에서도 온도는 매우 낮아질 수 있습니다. 펌프가 시동 시 정상적으로 오일을 흡입할 수 있도록 보장하기 위해, 펌프 제조사는 최대 허용 시동 점도를 명시합니다: 일반적으로 피스톤 펌프의 경우 1,000 SUS(216 cSt), 베인 펌프 및 기어 펌프의 경우 7,500 SUS(1,618 cSt)입니다.

그림 3-11 작동 온도에 따른 오일 등급 선택. 음영 처리된 대역은 사용 가능한 점도 범위를 나타낸다. 귀하의 작동 온도 범위를 포함하는 오일의 대역을 선택하십시오.

유동점

ASTM 점도 차트에는 경화점(pour point)이 표시되지 않는다. 매우 낮은 온도에서는 석유 기반 오일이 완전히 흐르지 않게 되며, 왁스 성분의 파라핀 결정이 오일에서 분리되어 유동을 차단한다. 경화점은 ASTM 실험실 조건에서 측정된 유압 오일이 여전히 흐를 수 있는 최저 온도이다.

실제 시스템에서는 최대 시동 점도 요구사항이 충족되면 일반적으로 경화점을 별도로 확인할 필요가 없다. 그러나 시스템이 극한의 저온에서 작동할 가능성이 있는 경우, 오일의 경화점은 예상 최저 작동 온도보다 최소 20°F 낮아야 한다.

특정 오일의 경화점 데이터는 해당 제품 자료표(product data sheet)에서 확인할 수 있다.

오일 문제 및 첨가제

유압 시스템이 일상적으로 계속 작동함에 따라 석유 기반 유체는 엄격한 조건에 노출됩니다. 이로 인해 유체 자체뿐 아니라 시스템 전체에도 여러 가지 문제가 발생할 수 있습니다: 고압 윤활, 유체 산화, 수분 오염, 공기 흡입, 고체 입자 오염 등입니다. 이러한 문제들 중 상당수는 유체 내 화학 첨가제를 통해 해결할 수 있습니다.

고압 윤활

고품질 석유 기반 유압 유체라 하더라도 반드시 고압 조건에서 우수한 윤활 성능을 보장하는 것은 아닙니다. 압력이 상승하면 움직이는 부품 사이의 유막(오일 웨지)이 더 쉽게 파열되며, 이때 접착성 유막(윤활성)이 특히 중요해집니다. 화학 첨가제는 고압 윤활 또는 경계 윤활 성능을 향상시킬 수 있습니다.

마모 방지(AW) 및 마모 감소(WR) 첨가제

항마모 첨가제는 세 가지 유형이 있다.

5. 유성/윤활성 첨가제(WR) — 금속 표면 위에 카펫의 털처럼 서 있는 분자로, 화학적 피막을 형성한다. 윤활유 피막이 파손될 경우, 이 화학적 피막이 하중을 지지한다. 그러나 이 피막은 강도가 낮아 고압에서 쉽게 파괴된다.
6. 마모 저감(WR) 첨가제 — 금속 표면에 화학적으로 결합하여 보호 피막을 형성한다. 움직이는 부품들이 순간적으로 접촉할 때 이러한 첨가제는 약간의 열을 발생시키고, 접촉 면을 연마 및 매끄럽게 하여 마찰을 줄인다.
7. 극압(EP) 첨가제 — 높은 접촉 압력 하에서 금속 표면이 가열되어 용접되려는 상황에서, EP 첨가제는 금속 표면과 반응하여 용접을 방지한다. 이는 기존의 항마모(AW) 첨가제가 실패하는 상황에 대한 해결책을 제공한다.

이 세 가지 유형은 동일한 오일에서 모두 사용할 수 없습니다 — 각각 다른 용도로 사용됩니다. 유성성/마모 감소(WR) 첨가제는 저압 시스템(1,000 psi 이하 / 68.97 bar 이하)에 사용됩니다. 극압(EP) 첨가제는 주로 고압 시스템(3,000 psi 이상 / 207 bar 이상) 또는 기어 및 공작기계 윤활유에 사용됩니다. 내마모(AW) 첨가제는 중간 압력 범위(1,000–3,000 psi / 68.97–207 bar)에 적용됩니다.

고압 윤활 여부 점검

오일에 내마모 첨가제가 포함되어 있는지 확인하려면 오일 명을 확인하거나 공급업체의 자료표를 참조하십시오. 예시: "Hamony 48 AW"(Gulf Oil Co.) — "AW"는 내마모 성능을 의미함; "Sunvis 816 WR"(Sun Oil Co.) — "WR"은 마모 감소 성능을 의미함.

많은 정제 오일 제조사들은 제품명에 내마모 성분을 표기하지 않으므로, 특정 오일에 대해서는 항상 자료표를 확인해야 합니다. 시스템에서 과도한 마모 문제가 발생하고 해당 오일에 내마모 첨가제가 포함되어 있지 않은 경우, 내마모(AW) 오일로 교체하면 도움이 될 수 있습니다 — 다만 먼저 마모 원인이 오일 오염으로 인한 것이 아닌지 반드시 확인해야 합니다.

오일 산화

산화는 물질이 산소와 일어내는 화학 반응으로, 흔히 발생하는 과정이다. 사과를 한 입 베어 물었을 때 과육이 갈색으로 변하는 현상이 바로 산화이다. 자동차 펜더에 긁힌 상처가 생겨 공기에 노출되면 산소와 반응하여 녹이 슨다. 석유를 비롯한 세계의 많은 물질들이 이와 같은 방식으로 산화된다.

유압 시스템 내에서의 오일 산화는 주로 두 곳에서 발생한다: 유량조(레저버)와 펌프 출구이다. 이 두 위치 모두 오일과 산소가 접촉하지만, 각각의 산화 과정은 서로 다르다.

유량조 내 산화

유량조에서는 오일의 자유 표면이 공기 중 산소와 반응한다. 이 반응의 생성물로는 약산 및 비누와 유사한 물질들이 있다. 이러한 산들은 부품 표면을 부식시켜 어두운 얼룩 자국을 유발하며, 비누 성분은 부품 표면을 코팅하여 압력 감지 포트 및 윤활 통로 내 미세한 구멍을 막는다.

열은 오일의 산화를 가속화합니다. 평균 유량조 온도(130°F / 54.4°C)보다 18–20°F(10–11°C) 높을 때마다 산화 속도는 약 2배로 증가합니다. 오일 내 철분, 구리 입자 및 수분 방울 역시 산화를 촉진시킵니다.

펌프 출구에서의 산화

오일이 산화되는 두 번째 장소는 펌프 출구입니다. 흡입관에 공기 누출이 발생하거나 반환 오일이 유량조를 교반하여 펌프 흡입구에 공기 방울이 유입될 경우, 이러한 공기 방울은 고압 펌프 출구에 도달한 후 고압 하에서 급격히 붕괴(폭발적으로 수축)하게 됩니다. 이 과정에서 극심한 국부적 열이 발생합니다. 계산 결과에 따르면, 기포가 거의 0에서 3,000 psi(207 bar)까지 압축될 때 그 온도는 최대 2,100°F(1,149°C)에 달할 수 있습니다. 이 온도에서는 오일이 발화하여 수지상 침전물과 매운 타는 냄새를 동반합니다.

펌프 출구에서 산화 생성물이 형성되면 수지가 오일에 용해됩니다. 이 수지가 고온 표면(펌프 로터, 릴리프 밸브 스풀 등)과 접촉할 경우, 오일 내에서 침전되어 해당 표면에 바니시 퇴적물을 형성하며, 이로 인해 움직이는 부품이 끼고 고착됩니다.

오일 내의 수지는 또한 먼지 및 입자와 결합하여 슬러지를 형성하는데, 이 슬러지는 밸브 및 필터의 미세한 구멍을 막고, 오일 탱크 벽을 통한 열 방출을 방해합니다. 펌프 출구에서 발생하는 기포 붕괴는 오일의 급속한 산화를 유발하는 주요 원인입니다.

그림 3-14 펌프 출구에서의 공기 기포 붕괴. 기포가 저압에서 고압으로 압축될 때 국부적인 온도가 2,000°F를 초과할 수 있으며, 이는 오일을 점화시키고 바니시 퇴적물을 형성하기에 충분한 온도입니다.

오일 산화 여부 점검

시스템에서 채취한 오일 시료(산화되었을 가능성이 있음)와 드럼에서 채취한 신선한 오일 시료를 동일한 온도에서 비교합니다. 신선한 오일은 엄지손가락과 검지 사이에서 비비면 뚜렷이 끈적거리는 느낌이 나며, 손가락에 잘 남아 있습니다. 반면 산화된 오일은 물처럼 묽은 느낌이 나며, 손가락에서 흘러내리고 점착성과 부착력이 매우 낮습니다.

기포 붕괴로 인해 산화된 오일은 또한 매운 자극적인 냄새를 띱니다. 시료에서 산화 징후가 관찰될 경우, 분석을 위해 실험실에 보내야 합니다. 재정비가 불가능할 경우, 시스템을 세척한 후 신선한 오일로 재충전합니다.

유압 오일 내의 수분

모든 유압 오일에는 일정량의 수분이 포함되어 있습니다. 소량의 수분은 미세한 액적 형태로 분산되어 오일에 의해 운반됩니다. 수분과 오일은 혼합되지 않으며(수용성 오일의 경우는 예외), 다량의 수분은 저장조 바닥에 침전됩니다.

오일 내에 이미 산화로 인해 생성된 산 및 수지가 존재할 경우, 이들 성분은 수분 흡수를 가속화시킵니다.

수분 오염 여부 확인

용의자 샘플을 신선한 오일 샘플과 비교하는 것이 기본 점검이다. 신선한 오일을 유리 플라스크에 담아 빛을 향해 들어 올리면, 약간의 기포가 있는 맑은 상태로 보인다. 샘플에 수분이 0.5% 포함되어 있으면 탁하거나 안개 낀 듯한 외관을 띤다. 수분 함량이 1%에 이르면 우유처럼 흰색을 띤다.

다른 방법으로는 탁하거나 안개 낀 듯한 샘플을 가열하는 것이다. 일정 시간 후에 탁함이 사라지면 수분이 존재했을 가능성이 높다. 오일 내 수분 함량이 많을 경우, 대부분의 수분은 결국 침전된다. 시간이 중요한 경우에는 원심 분리법을 사용하여 이 과정을 가속화할 수 있다.

오일 내 수분 함량이 소량(< 0.5%)이고 시스템 요구사항이 극도로 엄격하지 않다면, 즉시 교체할 필요는 없을 수 있다. 오일 내 수분은 산화를 촉진시키고 윤활성을 저하시키며, 수분 자체는 결국 증발되지만 그로 인해 생성된 산화 생성물은 잔류하여 계속해서 손상을 유발한다. 오일 상태가 한계치에 가까운 경우, 실험실로 시료를 보내 분석을 의뢰해야 한다.

그림 3-16 시각적 수분 검사. 오일 내 수분 함량은 샘플을 빛을 향해 들어 올렸을 때 얼마나 탁하게 보이는지에 따라 추정할 수 있다.

부식 및 녹

유압 시스템 관점에서 부식은 유류 산화 과정에서 생성된 산에 의한 부품 표면의 화학적 공격을 의미합니다. 녹은 유류 내 수분에 의해 발생하는 철 기반 표면의 산화 현상입니다.

부식은 금속을 용해시켜 제거함으로써 정밀 부품의 크기와 중량을 감소시킵니다. 반면 녹은 철 표면에 물질을 추가하여 그 크기와 중량을 증가시킵니다. 정밀 부품의 크기가 변화하면 그 효율성과 성능이 저하됩니다. 유압 시스템에서는 부식이나 녹 모두 허용되지 않습니다.

녹 및 산화 방지제(R&O)

유류 내 극소량의 수분조차도 철 재질 부품 표면에 녹을 유발할 수 있습니다. 자연 조건 하에서는 유류만으로는 충분한 부식 방지 효과를 제공하지 못하며, 유압 시스템 내 모든 수분을 완전히 차단하는 것은 실질적으로 불가능하므로, 대부분의 유압 오일에는 금속 표면에 화학적 보호막을 형성하는 녹 방지제가 포함되어 있습니다.

레저버 내 공기-오일 상호작용은 또한 금속 표면을 공격하고 오일의 추가 산화를 가속화하는 산화 생성물을 발생시킨다. 따라서 산화 방지제가 추가되는데, 이 화학 물질들은 산화 연쇄 반응을 차단한다.

펌프 출구에서 기포 붕괴로 인한 고온 산화는 화학적 방법만으로는 방지할 수 없으며, 펌프 흡입구 유량에서 공기를 제거함으로써만 제어할 수 있다. 산화 및 부식(R&O) 첨가제는 대부분의 산업용 유압 오일에 기본적으로 포함되는 첨가제 조합이다. 이러한 첨가제를 함유한 오일은 때때로 "R&O 오일"이라고 불린다. 프리미엄 등급의 투명(무색) R&O 오일은 최고 품질이며, 등급이 낮은 터빈 오일도 많은 유압 응용 분야에 여전히 적합할 수 있으며, 이 경우 "터빈 품질 미만 R&O"로 표시된다.

발포 및 공기 혼입

오일이 저장 탱크로 되돌아갈 때 시스템 내에 혼입된 공기를 제거해야 한다. 일부 시스템에서는 흡입측 공기 누출이 심각하여, 반환 오일이 저장 탱크에 떨어질 때 거품을 발생시킨다. 이 거품은 결국 펌프로 다시 흡입되는 혼입 공기를 유발하여 시스템 불안정을 초래하고, 산화를 가속화하며, 소음을 발생시키고, 심지어 저장 탱크에서 오일이 넘쳐나 환경적 위험을 야기할 수 있다.

가장 이상적인 해결책은 누출을 수리하고 반환 회로를 재설계하는 것이다. 예를 들어, 저장 탱크 내에 방파벽(baffle)을 설치하거나, 저장 탱크로 유입되는 오일의 유속을 낮추기 위해 더 큰 지름의 반환 배관을 사용하는 방법이 있다. 경제적·실용적 또는 교육적 이유로 인해 화학 첨가제를 대신 사용할 수도 있다.

소포제

발포 방지 첨가제는 오일의 발포를 방지합니다. 일부 첨가제는 작은 기포들을 큰 기포로 융합시켜 표면으로 상승하게 한 후 터뜨리는 방식으로 작용합니다. 다른 유형은 공기 배출을 방해함으로써 폼을 줄이지만, 동시에 시스템 내 미세 기포의 수를 증가시키는 방식으로 작용합니다. 발포 방지 첨가제를 선택할 때는 공기가 빠져나갈 수 있도록 해주는 유형을 선택해야 하며, 공기를 더 많이 갇히게 하는 유형은 피해야 합니다.

폼 발생 여부 점검

저수조에서 오일 샘플을 채취하여 폼 발생 여부를 확인합니다. 육안 검사만으로도 오일에 공기가 포함되어 있는지 신속히 파악할 수 있습니다. 샘플은 가능한 한 펌프 흡입구 근처에서 채취해야 하며, 이는 시스템에 실제로 유입되는 오일을 대표하도록 하기 위함입니다.

시스템 내 공기 유입의 기타 징후: 펌프에서 발생하는 고음의 불규칙한 소음; 펌프가 주기적으로 마치 누군가 시스템 내부에서 총을 쏘는 듯한 크고 울리는 타격음을 내는 경우. 실린더의 불안정한 움직임 및 압력 게이지의 요동치는 계기값 역시 공기 유입의 징후입니다.

그림 3-18 유압 시스템 내 공기. 저장조 표면의 거품(왼쪽) 또는 펌프 소음(오른쪽) 모두 공기 유입 문제를 나타냅니다.

유압 오일 내 오염물질

사용 중인 유압 오일에서 가장 큰 문제는 오염입니다. 오염물질은 물, 공기 또는 고체 입자일 수 있으며, 이 중 고체 입자가 가장 흔하고 가장 심각한 손상을 유발합니다.

고체 오염물질은 제어 밸브 구멍을 막거나 움직이는 부품의 고착을 유발하며, 마모를 가속화하고 오일 산화를 촉진할 수 있습니다.

오염물질이란 오일 내에 불용성으로 존재하는 모든 물질을 말합니다. 오염물질은 시스템 구성 요소의 제조, 조립, 보관 및 운송 과정에서 유입될 수 있으며, 외부 환경으로부터는 마모된 실린더 로드 실링 또는 고장 난 저장조 벤터를 통해 유입될 수 있고, 시스템 자체 내부에서는 마모된 부품들이 지속적으로 금속 입자를 발생시켜 오염을 일으킬 수 있습니다. 오염은 결코 멈추지 않습니다.

화학 첨가제로는 오일 내 오염물질을 제거하거나 오염물질의 유입을 방지할 수 없습니다. 우수한 시스템 설계 및 유지보수의 목표는 오염물질의 유입을 방지하는 것이며, 오일 내 오염물질 제거는 필터와 유지보수 팀의 책임입니다.

오염 여부 점검

육안으로는 오염 정도를 신뢰성 있게 판단할 수 없습니다. 유리 플라스크에 담긴 오일을 빛 아래서 관찰하는 방법은 정확한 오염 검사가 아닙니다. 유압 시스템에 해로운 많은 입자들은 육안으로 보기에는 너무 작기 때문입니다. 정확한 오염 평가는 실험실 분석을 통해 이루어져야 합니다.

시스템 필터의 막힘 지시등은 오염 여부를 확인하는 또 다른 방법입니다. 필터가 시스템에 적절히 규격화되어 있고 지시등이 정상적으로 작동한다면, '정상' 표시는 오일이 시스템에 충분히 깨끗함을 의미하며, '점검 필요' 표시는 필터의 점검 또는 교체가 필요함을 의미합니다. 지시등이 '바이패스됨'을 나타내면 오일이 매우 더럽고 필터에 즉각적인 점검이 필요함을 의미합니다.

그림 3-19 필터 상태 표시기. "정상"(위): 오일 상태가 양호함. "점검 필요"(중간): 필터 점검 또는 교체 필요. "바이패스 작동"(아래): 오일이 매우 오염됨 — 즉시 점검 수행.

유압 오일 관리

앞서 언급한 바와 같이, 유압 오일은 시스템 내에서 여러 기능을 수행하며, 이러한 기능을 지원하기 위해 다양한 첨가제를 포함하고 있습니다. 유압 오일은 보관, 저장 용기로의 이송, 그리고 시스템 전체 운전 기간 동안 특별한 주의가 필요합니다.

보관

보관 중에는 오일을 최상의 상태로 유지하는 것이 가장 중요합니다. 저장 드럼 내 오일의 오염은 단순한 낭비를 넘어, 시스템에 열화된 오일을 공급하여 신뢰성을 저하시킬 수 있습니다.

드럼은 깨끗하고 건조한 장소에 보관해야 합니다. 실외에 보관하는 드럼은 상단에 물이 고이지 않도록 측면으로 눕혀 보관해야 하며, 이는 뚜껑 마개 밀봉부를 통해 물이 침투하는 것을 방지하기 위함입니다.

드럼에서 저장 용기로 오일 이송

오일 이송을 시작하기 전에 드럼 뚜껑을 청소한 후, 유연한 호스, 이송 펌프, 깔대기, 저장 탱크 충전 필터, 그리고 깨끗한 손 등 필요한 모든 도구와 장비를 준비하십시오. 드럼에 표시된 브랜드명과 점도가 요구 사양과 일치하는지 확인하십시오. 모든 유압 오일이 동일한 첨가제를 포함하는 것은 아니므로, 공급업체의 명시적 허가 없이는 서로 다른 공급업체의 오일을 혼합하지 않는 것이 권장됩니다.

오일이 시스템에 주입된 후에는 지정된 주기에 따라 오일을 관리하고 모니터링해야 합니다. 오일 관리에는 최저 수준까지 보충(기존 오일과 동일하거나 호환되는 오일 사용), 누출 처리, 그리고 필터 요소 교체가 포함됩니다.

필터 요소를 정기적으로 교체하는 것이 매우 유익합니다. 오염은 오일에 극도로 해로운데, 특히 철, 납, 구리와 같은 오염 입자가 존재할 경우 산화를 촉진시킵니다. 필터는 유량 내 대부분의 오염물을 제거하지만, 시스템 전체에서 오염물을 완전히 제거할 수는 없으며, 단지 오일 상태를 유지할 뿐입니다. 필터 경고등이 점등되었음에도 신속히 점검·교체하지 않으면, 다량의 비여과 오염물이 하류로 우회되어 부품에 영향을 주게 되며, 더러워진 필터 요소에 포획된 오염물은 시스템 내에 계속 남아 산화 촉진을 지속시킵니다.

청소용 메시 필터 요소

망상형 필터 요소는 세척 후 재사용이 가능합니다. 세척의 철저함은 사용된 세척 방법보다는 세척 작업을 얼마나 신중하게 수행했는지에 따라 달라집니다.

일반적인 방법: 깨끗한 용매 또는 따뜻한 비눗물에 담근 후 압축 공기로 불어 세척합니다. 부드러운 브러시(새 페인트 브러시)를 사용하면 메시(mesh)를 효과적으로 청소할 수 있습니다. 절대 철사 브러시나 마모성 재료를 사용하지 마십시오. 청소 후 필터 요소를 빛을 향해 들어 올려 점검하세요 — 회색 또는 검은색 영역이 보이면 추가 청소가 필요함을 의미합니다.

초음파 세척은 비용은 더 들지만 편리합니다: 오염된 필터 요소를 초음파 세척기에 일정 시간 동안 넣은 후 꺼내면 바로 깨끗해지고 재사용이 가능합니다. 40 μm 이하의 등급을 가진 필터 요소는 초음파 세척기를 사용하여 청소해야만 서비스 수명을 효과적으로 회복할 수 있습니다.

그림 3-20 메시 필터 요소 청소. (좌측) 미세 요소용 초음파 세척기. (우측) 깨끗이 세척된 요소를 빛을 향해 들어 올려 잔여 막힘 부위를 점검하는 모습.