석유 기반 오일은 탁월한 윤활제이므로, 이를 에너지 전달 매체로 사용하는 시스템은 긴 수명과 높은 신뢰성을 기대할 수 있습니다. 그러나 많은 시스템 및 응용 분야에서 석유 기반 오일은 하나의 중대한 단점을 지니고 있습니다: 압력 하에서 오일이 누출 부위를 통해 분사되어 미스트(오일 스프레이)를 형성할 수 있다는 점입니다. 이 미스트는 산업 화재의 원인으로 자주 지목되고 있습니다.

일반적으로 석유 기반 오일을 사용할 때는 화재 위험이 그리 높지 않습니다 — 광물성 오일은 상온에서 쉽게 점화되지 않으며, 나무 성냥과 유사한 불꽃 억제 능력을 갖추고 있기 때문입니다. 그러나 고압 배관에 미세한 누출이 발생하면 오일이 미세한 미스트 형태로 분사됩니다. 이 미스트는 매우 인화성이 높은 혼합물로, 아주 쉽게 점화될 수 있으며, 이러한 유형의 누출은 연료 분사기(fuel injector)에 비유할 수 있습니다.

화재 위험이 있는 산업 환경에서는 근로자의 안전과 예기치 않은 화재 없이 생산을 지속할 수 있는 능력이 가장 우선시된다. 해당 환경에서 예기치 않은 점화원이 발생할 수 있다면, 난연성 유압유가 필요하다. 이러한 유체를 사용하면 운영 비용이 증가하며(난연성 유체는 광물성 오일보다 비쌈) 부품의 수명도 단축된다.

본 장의 목적은 유압 시스템에서 일반적으로 사용되는 난연성 유압유를 식별하고, 그 사용 시 발생할 수 있는 일부 문제점에 대해 논의하며, 유지보수 지침을 제시하는 것이다.

난연성 평가

난연성 유체는 불연성 유체가 아니다—그 명칭에서 알 수 있듯이, 단지 점화되기 어려울 뿐이다. 난연성 유체라도 충분히 높은 온도로 가열되면 결국 점화된다.

특정 유체의 내화성은 세 가지 기술적 측정값, 즉 인화점(발화점), 착화점, 그리고 자발 연소 온도에 의해 결정된다. 다음 세 가지 시험 설명에서 언급된 기준 유체는 석유 기반 유압 오일이다.

인화점

유체의 인화점(발화점)이란, 유체 표면에서 불꽃을 적용했을 때 점화될 수 있을 만큼 충분한 증기를 방출하기 위해 가열해야 하는 온도를 말한다. 석유 기반 유압 오일의 경우, 350–450°F(176.6–232.2°C)까지 가열되면 불꽃을 적용했을 때 점화될 만큼 충분한 증기가 방출되지만, 불꽃을 제거하면 연소가 중단된다.

착화점

착화점이란, 시험용 불꽃을 제거한 후에도 오일이 계속 연소할 수 있도록 가열해야 하는 온도를 말한다. 이 온도 이상에서는 오일 표면에서 충분한 양의 증기가 방출되어, 일단 점화되면 불꽃 원천이 제거된 후에도 오일 자체가 계속 연소하게 된다.

자동 점화 온도

자연발화온도(AIT)는 외부 불꽃이나 점화원 없이 유체가 스스로 발화하는 온도이다. 석유계 유압유의 경우, 500–700°F(260–371°C)까지 가열되면 자발적으로 발화한다.

불연성으로 분류되는 유체는 석유 기반 유체보다 높은 인화점, 발화점 및 자연발화온도를 갖는다.

불연성 유압유의 종류

불연성 유압유는 크게 수기반 유체와 합성 유체로 구분할 수 있다.

수기반 유압유

최초의 유압 작동 매체는 물이었다. 물은 일부 단점(특히 윤활성 부족)을 지니지만 불연성이라서, 초기에는 화재 저항성이 요구될 때 단순히 물로 복귀하는 방식을 채택하였다. 그러나 어느 정도의 윤활성이 필요하므로, 오일과 물을 유화시켜 함께 사용하였다.

오일 내 수분 유화액(W/O 유화액)

이것은 물과 기름으로 만든 수성 내화성 유체입니다. 이는 용액이 아닙니다 — 물과 기름은 서로 용해되지 않습니다. 이 유체에서는 화학적 에멀시파이어(emulsifier)에 의해 기름이 극도로 미세한 액적 형태로 분산되어 물을 매개로 한 매질 전반에 균일하게 분포되며, 이로 인해 윤활 성능이 향상됩니다. 이 유체가 불꽃에 접촉하면 물이 증기로 변해 불을 억제합니다.

이 두상의 물/기름 유체는 에멀션(emulsion)이라고 불립니다. 이 유체가 널리 사용되던 시기에는 일반적으로 물 60%, 기름 40%의 비율이 채택되었으며, 여기서 물은 주상(main phase)을, 기름은 분산된 액적을 구성했습니다.

고함수 기반 유체(HFA)

이것은 물을 주성분으로 하는 내화성 유체입니다. 현재는 누출로 인해 작동 유체가 대량으로 손실되는 시스템을 제외하고, 이 유형은 유압 시스템에서 거의 사용되지 않습니다. 이 유체를 사용하는 시스템은 상대적으로 저렴한(물이 함량의 최소 90%를 차지함) 경제적 이점을 얻기 위해 부품의 수명 단축을 감수합니다.

유분 함량이 1–10%인 유제는 고수분 기반 유체(high-water-base fluid, 물 중 유분 용액)라고 합니다. 누군가 자신의 시스템이 "5% 유분 용액"을 사용한다고 말할 경우, 이는 95%의 물과 5%의 유분, 즉 화학적 농도 비율 95:5를 의미합니다.

유분-수 유제(HFB)

유압 시스템에 사용되는 현대식 수-유분 유제는 60%의 유분과 40%의 물로 구성된 유백색 유체입니다. 이 비율은 이전의 HFA 유형(60% 물 대 40% 유분)과 정반대입니다. 이 유체의 주성분이 유분이고 물이 분산상인 까닭에, HFB 유제는 HFA보다 윤활성이 우수하지만, 내화성은 약간 낮아집니다.

수/유 에멀전의 점도

석유 기반 오일과 마찬가지로, 점도는 수/유 에멀전의 중요한 특성입니다. HFA 유체는 최소 90%의 수분 함량을 가지므로, 그 점도는 실질적으로 물의 점도와 동일합니다. 따라서 이는 비교적 열악한 윤활제입니다.

반면, HFB 에멀전은 약 60%의 오일로 구성되지만, 이는 그 점도가 기초 오일의 점도와 같다는 것을 의미하지 않습니다. 두 상 사이의 전단 효과로 인해 HFB 에멀전의 점도는 기대치보다 낮게 나타납니다. 시스템 구성 요소에 충분한 윤활을 보장하기 위해 사용되는 HFB 에멀전의 점도는 일반적으로 해당 시스템에서 사용되는 석유 기반 오일의 점도보다 높아야 합니다. 예를 들어, 어떤 시스템에서 100°F(37.7°C)에서 150 SUS(32 cSt)의 석유 기반 오일을 사용한다면, HFB 에멀전은 100°F(37.7°C)에서 375 SUS(80.9 cSt)의 점도를 가져야 합니다.

작동 유체가 유압 펌프 및 시스템을 통과할 때, 두 상 사이의 전단 작용으로 인해 HFB 에멀전의 점도가 감소하는 현상이 나타난다. 부품들이 충분히 윤활되도록 하기 위해 HFB 에멀전의 점도는 해당 시스템에서 사용되는 일반 석유 기반 오일의 점도보다 높아야 한다.

수중 오일 에멀전의 문제점

수기반 난연성 유체를 저장조에 보관하면 문제가 발생할 수 있다. HFB 에멀전의 경우, 주요 문제는 상분리와 세균 증식이다.

상분리

HFB 에멀젼은 저온 작동을 위해 설계되지 않았습니다. 32°F(0°C)에서 얼음이 생성되기 시작하며, 약 -10°F(-23.3°C)에서 에멀젼이 완전히 동결됩니다. 동결-해동 사이클은 두 상(phase)의 분리 현상을 유발합니다: 물의 어는점(32°F/0°C)에서 에멀젼 내 일부 물 방울이 얼음 결정으로 고체화됩니다. 시스템이 가열되어 얼음이 녹으면, 에멀젼이 반드시 재형성되는 것은 아닙니다. 이 시점에서 유체는 부품의 부식을 촉진시키며 더 이상 우수한 윤활제로 기능하지 않습니다.

반복적인 동결-해동 사이클은 물과 오일 상의 영구적 분리를 초래합니다. 일단 분리된 후에는 두 상을 다시 에멀젼 상태로 복원하는 것이 매우 어렵거나, 경우에 따라 불가능할 수 있으며, 내화성 확보가 심각한 문제로 대두됩니다.

상 분리 여부 점검

시각 검사를 통해 유제가 상분리되었는지 확인합니다. 저장조 내에서 두 상이 분리되었는지 여부를 판단하기는 어렵습니다. 따라서 오일 샘플을 채취하여 넓은 입구의 병에 붓고 잠시 방치하세요. 그러면 자유수(free water)가 병 바닥으로 침전되는 것을 관찰할 수 있습니다.

상분리가 심각하다고 의심될 경우, 유체 공급업체에 문의하세요. 공급업체에서는 유체 교체를 권장할 수 있습니다.

세균 증식

적절한 온도 조건 하에서 박테리아가 HFB 유제 내에서 증식할 수 있습니다. 다량의 박테리아는 유량 제어 밸브의 오리피스 및 필터 요소를 막을 수 있으며, 이러한 모든 영향으로 인해 시스템의 신뢰성이 저하되고 오작동이 발생합니다.

많은 HFB 유제에는 이러한 현상을 방지하기 위해 살균 억제제(bacteriostatic additive)가 포함되어 있습니다.

박테리아 증식 여부 점검

HFB 유제 내 박테리아 증식은 시각적으로나 냄새로 감지할 수 있습니다. 유체 내에 박테리아가 증식한 경우, 흡입 필터 표면에 점성의 슬라임이 코팅된 것처럼 보이며, 유체에서 악취가 납니다.

유제 내에 세균 성장이 관찰될 경우, 유체를 교체해야 할 가능성이 높습니다.

수-글리콜(HFC)

수-글리콜은 또 다른 종류의 수성 난연 유체입니다. 이 유체는 물과 글리콜(에틸렌 글리콜)로 구성되며, 그 화학 구조는 자동차용 부동액과 매우 유사합니다.

수-글리콜은 일반적으로 붉은색 또는 분홍색을 띱니다. 보통 글리콜 60%, 물 40%로 구성되며, 점도를 높이기 위해 화학적 증점제가 추가됩니다. 글리콜은 물에 실제로 용해되므로, 이 유체는 단상입니다 — 유제와 달리 현미경으로 관찰할 때 별도의 물 방울과 글리콜 방울이 존재하지 않습니다. 수-글리콜은 저온에서 우수한 작동 성능을 발휘합니다.

HFB 유제와 수-글리콜 비교

HFB 유제와 수-글리콜을 비교해 보면 다음과 같습니다:

1. HFB 유제의 안정성은 수-글리콜 용액보다 낮습니다.
2. 안정적인 HFB 유제는 윤활 성능이 더 우수합니다.
3. HFB 유제는 가격이 더 저렴합니다.
4. 수-글리콜은 난연 성능이 더 뛰어납니다.
5. 물-글리콜 혼합액은 저온에서 더 우수한 성능을 발휘합니다.

수성 유압 유체의 문제점

유압 탱크에 수성 난연 유체를 사용하면 몇 가지 문제가 발생합니다. HFB 에멀션의 경우 주요 문제는 부품 수명 단축과 수분 증발입니다.

수성 유체의 윤활 작용

화재 저항성을 확보하기 위해 수성 난연 유체는 상당량의 물을 포함하므로, 석유 기반 오일에 비해 윤활 성능이 훨씬 떨어지며, 이는 본질적인 단점입니다.

비록 윤활 첨가제 및 유성 첨가제가 포함되어 있으나, 실제 사용 시에도 여전히 부품 수명을 단축시킵니다. 이러한 부정적 영향으로 인해 수성 난연 유체는 일반적으로 1,800 psi(124 bar) 이상에서 작동하는 시스템에는 사용되지 않습니다.

HFA 유체, HFB 에멀션, 물-글리콜 중에서 안정된 HFB 에멀션이 가장 우수한 윤활 성능을 보이며, 그 다음으로 물-글리콜, 그리고 HFA 순입니다.

표 4-1 물 기반 내화성 유체와 석유 기반 오일 간의 상대 윤활 감소 계수. 계수가 높을수록 부품 마모가 더 심함.

수분 증발

많은 유체 제조사에서는 물 기반 유압 유체의 최대 작동 온도를 140°F(60°C)로 권장하며, 가능하면 120°F(49°C) 이하로 유지할 것을 권고한다. 140°F(60°C)를 초과하면 과도한 수분 증발이 발생할 수 있다.

물 기반 유체에서 수분이 증발할 때 여러 가지 바람직하지 않은 현상이 발생한다. 액체에서 탈출한 수증기는 보호되지 않은 철 부품 표면에 응결되어 녹을 유발한다. 일정 기간이 지나면 이 녹이 벗겨져 시스템 전반에 걸친 오염원이 된다.

물 기반 유체는 일반적으로 녹 방지제를 포함하지만, 유체에 잠기지 않은 보호되지 않은 금속 표면은 증발로 인해 발생한 수증기에 의해 부식된다.

수성 유체의 내화성은 수분 함량에 따라 달라지므로, 수분 증발은 내화성을 저하시킵니다. 증발은 점도에도 영향을 미치는데, 물-글리콜 계열에서는 수분 손실로 인해 점도가 증가하고, HFB 에멀젼에서는 수분 손실로 인해 점도가 감소하며 에멀젼이 불안정해질 수 있습니다. 최적의 내화성과 적절한 점도를 유지하기 위해 수성 내화유류의 수분 함량은 정기적으로 점검하여 좁은 농도 범위 내에서 관리되어야 합니다.

그림 4-11 수성 유체로부터의 수분 증발. 증발은 내화성을 저하시키고 점도를 변화시키며, 금속 표면에 증기를 응축시켜 부식을 유발할 수 있습니다.

합성 내화 유압 작동유(HFDR)

합성 내화 유압 작동유는 높은 내화성을 특징으로 하는 인공 합성 오일로, 윤활 성능은 석유 기반 오일에 가깝습니다. 가장 널리 사용되는 합성 내화 유압 작동유는 인산 에스터입니다.

참고: 합성 내화성 유체는 실리콘 수지, 규산 에스터, 디바식 산 에스터, 폴리올 에스터 화합물, 폴리에터 또는 기타 합성 유체와 혼합해서는 안 됩니다. 이러한 합성 화합물은 특정 용도에 필요한 특수한 성질을 가질 수 있으나, 일반적으로 내화성으로 간주되지 않습니다.

인산 에스터 유체는 고압에서 우수한 작동 성능을 발휘하며 뛰어난 내화성을 갖지만, 가격이 비쌉니다. 내화성 요구 사항이 있는 고압 시스템의 경우 인산 에스터의 비용 문제로 인해 인산 에스터와 석유 기반 오일의 혼합물을 사용할 수 있습니다. 이 혼합물은 시스템에 필요한 윤활 성능을 제공하지만, 순수 인산 에스터에 비해 내화성은 낮습니다.

수기반 및 합성 내화성 유체 비교

수기반 및 합성 내화성 유체를 비교할 때:

6. 합성 유체는 더 우수한 윤활 성능을 가지며, 더 높은 압력에서 작동할 수 있습니다.
7. 합성 유체는 가격이 더 비쌉니다.
8. 합성 유체는 더 우수한 내화성을 갖습니다.
9. 인산에스터 유체의 인화점은 약 455°F(235°C)이며, 발화점은 약 665°F(352°C), 자발 연소 온도는 약 1,150°F(621°C)이다.

수성 유체는 물을 함유하고 있기 때문에 인화점 및 발화점을 통해 내화성을 표현하지 않는다. 수-글리콜의 자발 연소 온도는 약 1,100°F(593°C)이며, HFB 에멀젼의 자발 연소 온도는 약 825°F(440.6°C)이다.

그림 4-14 네 가지 내화성 유체 유형 및 그 저장 드럼. 왼쪽부터: 합성 유체(인산에스터), 인산에스터-오일 혼합물, HFB 에멀젼, 수-글리콜.

내화성 유압 유체의 문제점

유압 시스템에 내화성 유체를 사용하면 실링재 및 보호 코팅과의 호환성, 거품 발생 및 공기 함입, 침전 등 특정 문제가 발생한다.

내화성 유체의 호환성

석유 기반 유압 오일 시스템에서 동적 실링에 가장 일반적으로 사용되는 재료는 니트릴 고무(Buna-N)입니다. 이 재료는 HFB 유제 및 물-글리콜 혼합액과도 호환됩니다. 시스템이 석유 기반 유압 오일에서 HFB 유제 또는 물-글리콜 혼합액으로 전환될 경우, 기존 실링재가 니트릴 고무라면 교체할 필요가 없습니다. 그러나 인산 에스터와 같은 합성 유체로 전환할 경우에는 실링재를 반드시 교체해야 합니다.

석유 기반 유압 오일에서 수기반 유압 유체로 전환할 때 보호 코팅과 관련된 문제가 발생할 수 있습니다. 유압 탱크 내부가 석유 기반 유압 오일과 호환되는 코팅제나 페인트로 보호 처리되어 있는 경우, 수기반 유체가 이러한 코팅을 용해시킬 수 있습니다.

물-글리콜 및 일부 화학 농축액은 특정 금속과 양립하지 못합니다. 이들은 아연, 카드뮴, 마그네슘 및 일부 알루미늄 합금을 부식시켜 밸브 구멍 및 필터를 막는 점착성 슬래그를 생성하며, 밸브 스풀의 작동 불량을 유발할 수 있습니다. 따라서 이러한 금속으로 제조되거나 도금된 부품은 물-글리콜 유체와 함께 사용하지 않는 것이 권장됩니다. 여기에는 전기아연도금 파이프, 아연 또는 카드뮴 도금 필터망, 파이프 피팅, 유압 탱크 액세서리 등이 포함될 수 있습니다.

석유 기반 오일 시스템에서 동적 실링에 일반적으로 사용되는 니트릴 고무(NBR) 재질의 실링재는 인산 에스터 또는 인산 에스터 혼합 유체와 호환되지 않으며, 이러한 유체에는 플루오로엘라스토머(Viton), 에폭시계 고무 또는 기타 호환 가능한 실링재가 필요합니다.

합성 내화성 유체는 석유 기반 오일과 호환되는 페인트 및 바니시를 용해시킬 수 있으나, 유압 시스템에서 일반적으로 사용되는 금속을 부식시키지는 않습니다.

내화성 유체 내의 폼 및 공기 함유 현상

석유 기반 오일에 비해 수성 및 합성 내화성 유체는 공기를 더 잘 잡아두고 발포하기 쉬운 편입니다. 작동 유체가 저장조로 되돌아온 후, 내화성 유체는 축적된 기포를 모두 제거하기 위해 저장조 내에서 더 긴 시간이 필요합니다.

따라서 내화성 유체를 사용하는 시스템은 석유 기반 오일을 사용하는 시스템보다 더 큰 저장조를 가져야 합니다.

내화성 유체 내 침전물

내화성 유체가 저장조로 되돌아올 때, 석유 기반 오일에 비해 부유 오염물질을 더 쉽게 잡아둡니다. 유체는 적절한 크기의 오염물질이 저장조 바닥으로 가라앉을 수 있도록 해야 하지만, 내화성 유체에서는 오염물질이 그만큼 쉽게 가라앉지 않습니다.

따라서 시스템에서 내화성 유압 유체를 사용할 경우, 우선 고려해야 할 사항은 우수한 유체 여과 조치를 채택하는 것이며, 자석 필터도 간과해서는 안 됩니다.

유지 보수 지침

보관

내화성 유압유의 보관은 석유 기반 오일과 본질적으로 동일합니다. 드럼은 물이 상부에 고여 침투하지 않도록 측면으로 눕혀 보관해야 합니다.

HFB 유제의 경우 추가적인 보관 요건이 있습니다. 반복적인 동결-해동 사이클이 그 안정성에 영향을 주기 때문에, 보관 중 동결되지 않도록 주의 깊게 관리해야 합니다.

드럼에서 저수조로 유체 이송

보관 드럼에서 저수조로 유체를 이송하는 것은 또 다른 중요한 단계입니다. 드럼 마개를 제거하기 전에 드럼 뚜껑을 청소하고, 이송 과정에 필요한 모든 장비 및 도구(유연 호스, 이송 펌프, 깔대기, 저수조 충전 필터, 작업자의 손)를 준비하세요. 드럼 내 유체의 브랜드명과 점도가 정확한지 확인하십시오.

내화성 유체를 이송하기 위해 펌프를 사용할 경우, 펌프 내에 다른 종류의 잔류 유체가 없어야 하며, 펌프 재료 및 부속품이 해당 유체와 호환되어야 합니다.

난연성 유체를 저수조에 주입한 후에는 지정된 간격으로 유지 관리 및 모니터링을 수행해야 합니다. 유체 유지 관리는 최소 수준까지 보충하기, 누출 처리하기, 필터 요소 교체하기 등을 포함합니다.

수성 유압 유체는 정기적으로 수분 함량을 점검해야 하며, 농도는 매우 좁은 범위 내에서 유지되어야 합니다. 그렇지 않으면 점도와 난연성이 영향을 받게 됩니다.

HFB 에멀젼에 물을 추가하는 것은 일반적으로 권장되지 않으며, 이 경우 재유화 과정이 필요합니다. 반면, 수-글리콜 용액에 물을 추가하는 것은 흔하지만, 단순히 정원 호스를 저수조에 연결하여 물을 주입해서는 안 됩니다. 보충용 물은 시스템을 오염시킬 수 있는 미네랄 성분을 포함해서는 안 되며, 수-글리콜 용액에는 증류수 또는 탈이온수가 적합합니다. 추가할 물의 양은 유체 시료의 실험실 분석 결과에 따라 결정해야 합니다.

* HFA는 윤활성이 매우 떨어지기 때문에 고압 시스템에서 거의 사용되지 않음; 압력 한계는 기술적 제약이라기보다는 실용적 제약에 가까움.