Minyak berbasis petroleum merupakan pelincir yang sangat baik, jadi sistem yang menggunakannya sebagai medium pemindah tenaga boleh mengharapkan jangka hayat perkhidmatan yang panjang dan boleh dipercayai. Namun, dalam banyak sistem dan aplikasi, minyak berbasis petroleum mempunyai satu kelemahan utama: di bawah tekanan, minyak boleh menyembur melalui kebocoran dan menghasilkan kabut (semburan minyak). Kabut ini telah menjadi punca banyak kebakaran industri.

Apabila kita biasanya menggunakan minyak berbasis petroleum, risiko kebakaran tidak terlalu tinggi — kerana minyak mineral tidak mudah terbakar pada suhu bilik dan mempunyai keupayaan memadamkan nyalaan yang serupa dengan kayu api. Tetapi apabila saluran bertekanan tinggi mengalami kebocoran kecil, minyak tersebut menyembur keluar dalam bentuk kabut halus. Kabut merupakan campuran yang sangat mudah terbakar dan boleh dinyalakan dengan sangat mudah — jenis kebocoran ini boleh dianggap sebagai penyuntik bahan bakar.

Dalam persekitaran industri yang mempunyai risiko kebakaran, kebimbangan utama ialah keselamatan pekerja dan keupayaan untuk mengekalkan pengeluaran tanpa berlakunya kebakaran secara tidak sengaja. Jika persekitaran tersebut boleh menghasilkan sumber pencetus kebakaran secara tidak sengaja, maka cecair hidraulik tahan api diperlukan. Penggunaan cecair sedemikian meningkatkan kos operasi (cecair tahan api lebih mahal daripada minyak mineral) dan mengurangkan jangka hayat komponen.

Tujuan bab ini ialah untuk mengenal pasti cecair hidraulik tahan api yang biasa digunakan dalam sistem hidraulik, membincangkan beberapa isu berkaitan penggunaannya, serta memberikan garis panduan penyelenggaraan.

Menentukan Ketahanan Api

Cecair tahan api bukanlah cecair tak terbakar — seperti namanya, cecair ini hanya sukar untuk dinyalakan. Jika cecair tahan api dipanaskan hingga suhu yang cukup tinggi, akhirnya ia akan terbakar.

Ketahanan api suatu cecair tertentu ditentukan melalui tiga ukuran teknikal: takat nyala, takat api, dan suhu pengapian sendiri. Cecair rujukan dalam tiga penerangan ujian berikut ialah minyak hidraulik berbasis petroleum.

Titik Nyala

Takat nyala suatu cecair ialah suhu yang mesti dicapai sebelum cecair tersebut membebaskan wap yang cukup dari permukaannya untuk menyala apabila nyalaan dikenakan. Bagi minyak hidraulik petroleum, jika dipanaskan hingga 350–450°F (176.6–232.2°C), jumlah wap yang dibebaskan adalah mencukupi untuk menyala apabila nyalaan dikenakan. Namun, setelah nyalaan dialihkan, pembakaran berhenti.

Takat Api

Takat api ialah suhu yang mesti dicapai oleh minyak supaya ia terus terbakar selepas nyalaan ujian dialihkan. Di atas suhu ini, jumlah wap yang dibebaskan dari permukaan minyak adalah mencukupi sehingga, apabila telah dinyalakan, minyak akan terus terbakar secara sendiri walaupun sumber nyalaan telah dialihkan.

Suhu self-penyalaan

Suhu pengapian automatik (AIT) ialah suhu di mana minyak terbakar secara sendirinya tanpa nyalaan atau percikan luaran. Bagi minyak hidraulik petroleum, jika dipanaskan hingga 500–700°F (260–371°C), minyak ini akan terbakar secara spontan.

Cecair yang diklasifikasikan sebagai tahan api mempunyai takat nyala, takat api, dan suhu pengapian automatik yang lebih tinggi berbanding minyak berbasis petroleum.

Jenis Cecair Hidraulik Tahan Api

Cecair tahan api boleh dibahagikan kepada dua kategori utama: berbasis air dan sintetik.

Cecair Hidraulik Berbasis Air

Medium kerja hidraulik pertama ialah air. Air mempunyai beberapa kekurangan (terutamanya dari segi pelinciran), tetapi ia tidak mudah terbakar; oleh itu, pendekatan asal apabila diperlukan sifat tahan api adalah dengan kembali menggunakan air sahaja. Namun, memandangkan pelinciran sebahagian masih diperlukan, maka minyak dan air diemulsikan bersama.

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

Ini adalah cecair tahan api berbasis air yang terdiri daripada air dan minyak. Ia bukan suatu larutan — air dan minyak tidak larut antara satu sama lain. Dalam cecair ini, minyak dihamburkan ke dalam titisan yang sangat halus melalui emulsifier kimia dan diedarkan secara sekata di seluruh medium pembawa air, yang meningkatkan kualiti pelincirannya. Apabila cecair ini bersentuhan dengan nyalaan, air bertukar menjadi wap dan memadamkan api.

Cecair dua-fasa air/minyak ini dipanggil emulsi. Semasa tempoh penggunaan jenis cecair ini secara meluas, nisbah tipikalnya ialah 60% air kepada 40% minyak, dengan air sebagai fasa utama dan minyak sebagai titisan yang dihamburkan.

Cecair Berbasis Air Tinggi (HFA)

Ini adalah cecair tahan api di mana air merupakan komponen utamanya. Pada masa ini, kecuali dalam sistem di mana jumlah besar cecair kerja hilang akibat kebocoran, jenis ini jarang digunakan dalam sistem hidraulik — sistem yang menggunakannya menukar jangka hayat komponen yang lebih pendek dengan kelebihan ekonomi tertentu kerana harganya relatif murah (air membentuk sekurang-kurangnya 90% kandungannya).

Emulsi yang dibuat dengan kandungan minyak 1–10% dipanggil cecair berbasis air tinggi (larutan minyak-dalam-air). Jika seseorang menyatakan sistem mereka menggunakan "larutan minyak 5%", maksudnya ialah 95% air dan 5% minyak, atau kepekatan kimia 95:5.

Emulsi Minyak-dalam-Air (HFB)

Emulsi air/minyak moden yang digunakan dalam sistem hidraulik adalah cecair berwarna putih susu yang terdiri daripada 60% minyak dan 40% air — nisbah ini terbalik berbanding jenis HFA sebelumnya (60% air kepada 40% minyak). Memandangkan komponen utama cecair ini ialah minyak, manakala air berfungsi sebagai fasa terserak, emulsi HFB mempunyai sifat pelinciran yang lebih baik berbanding HFA, tetapi rintangan apinya sedikit berkurangan.

kelikatan emulsi air/minyak

Seperti minyak petroleum, kelikatan merupakan sifat penting emulsi air/minyak. Memandangkan cecair HFA mengandungi sekurang-kurangnya 90% air, kelikatannya pada dasarnya sama dengan kelikatan air—menjadikannya pelincir yang relatif lemah.

Sebaliknya, walaupun emulsi HFB terdiri daripada kira-kira 60% minyak, ini tidak bermakna kelikatannya sama dengan kelikatan minyak asasnya. Disebabkan kesan ricih antara dua fasa tersebut, emulsi HFB menunjukkan kelikatan yang lebih rendah daripada yang dijangkakan. Untuk memastikan pelinciran yang mencukupi bagi komponen sistem, emulsi HFB yang digunakan harus mempunyai kelikatan yang lebih tinggi berbanding minyak petroleum yang biasanya digunakan dalam sistem tersebut. Sebagai contoh, jika suatu sistem menggunakan minyak petroleum 150 SUS (32 cSt) @ 100°F (37.7°C), maka emulsi HFB yang digunakan harus mempunyai kelikatan 375 SUS (80.9 cSt) @ 100°F (37.7°C).

Apabila cecair kerja melalui pam hidraulik dan sistem, kesan ricih antara dua fasa menyebabkan emulsi HFB menunjukkan penurunan kelikatan. Untuk memastikan komponen dilumaskan dengan baik, kelikatan emulsi HFB harus lebih tinggi daripada kelikatan minyak petroleum biasa bagi sistem tersebut.

Masalah dengan emulsi minyak-dalam-air

Penyimpanan cecair tahan api berbasis air dalam takungan boleh menyebabkan masalah. Bagi emulsi HFB, dua masalah utama ialah pemisahan fasa dan pertumbuhan bakteria.

Pemisahan Fasa

Emulsi HFB tidak direka untuk operasi suhu rendah. Pada 32°F (0°C), ais mula terbentuk; pada kira-kira -10°F (-23,3°C), emulsi membeku sepenuhnya. Kitaran pembekuan-pencairan menyebabkan dua fasa berpisah: pada takat beku air (32°F / 0°C), sebahagian titisan air dalam emulsi membeku menjadi hablur ais. Apabila sistem memanas dan ais mencair, emulsi tidak semestinya terbentuk semula — pada ketika ini cecair menjadikan komponen lebih mudah berkarat dan tidak lagi berfungsi sebagai pelincir yang baik.

Kitaran pembekuan-pencairan berulang menyebabkan pemisahan kekal antara fasa air dan minyak. Setelah berpisah, amat sukar—malah mungkin mustahil—untuk mengembalikan kedua-dua fasa ke dalam keadaan termulsikan, dan rintangan api menjadi isu serius.

Memeriksa pemisahan fasa

Pemeriksaan visual digunakan untuk memeriksa sama ada emulsi telah mengalami pemisahan fasa. Adalah sukar untuk menentukan di dalam tangki sama ada kedua-dua fasa telah berpisah — ambil sampel minyak tersebut, tuangkan ke dalam botol bermulut lebar, dan biarkan seketika. Anda akan melihat sebarang air bebas mengendap ke dasar botol.

Jika anda mencurigai bahawa pemisahan fasa adalah teruk, hubungi pembekal cecair anda — mereka mungkin mencadangkan penggantian cecair tersebut.

Pertumbuhan Bakteria

Dalam keadaan suhu yang sesuai, bakteria boleh tumbuh dalam emulsi HFB. Jumlah bakteria yang besar boleh menyumbat lubang injap kawalan aliran atau unsur-unsur penapis — kesemua kesan ini menjadikan sistem tidak boleh dipercayai dan menyebabkannya rosak.

Ramai emulsi HFB mengandungi bahan tambah bakteriostatik untuk mencegah perkara ini.

Memeriksa pertumbuhan bakteria

Pertumbuhan bakteria dalam emulsi HFB boleh dikesan secara visual dan melalui bau. Jika bakteria telah tumbuh dalam cecair tersebut, penapis masukan kelihatan dilapisi oleh lendir likat, dan cecair tersebut memancarkan bau yang busuk.

Jika pertumbuhan bakteria hadir dalam emulsi, cecair tersebut kemungkinan besar perlu digantikan.

Air-Glikol (HFC)

Air-glikol merupakan sejenis cecair tahan api berbasis air yang lain. Ia terdiri daripada air dan glikol (etilena glikol), dengan struktur kimianya yang sangat mirip dengan cecair anti-beku kenderaan bermotor.

Air-glikol biasanya berwarna merah atau merah jambu. Ia biasanya mengandungi 60% glikol dan 40% air, dengan agen penebal kimia ditambahkan untuk meningkatkan kelikatan. Oleh kerana glikol benar-benar larut dalam air, cecair ini bersifat fasa-tunggal — tidak seperti emulsi, ia tidak mengandungi titisan air dan glikol yang berasingan apabila dilihat di bawah mikroskop. Air-glikol berfungsi dengan baik pada suhu rendah.

Membandingkan emulsi HFB dan air-glikol

Apabila membandingkan emulsi HFB dan air-glikol, kita mendapati:

1. Kestabilan emulsi HFB lebih rendah berbanding larutan air-glikol.
2. Emulsi HFB yang stabil mempunyai pelinciran yang lebih baik.
3. Emulsi HFB lebih murah.
4. Air-glikol mempunyai rintangan api yang lebih baik.
5. Air-glikol berfungsi lebih baik pada suhu rendah.

Masalah dengan cecair hidraulik berbasis air

Penggunaan cecair tahan api berbasis air dalam takungan hidraulik menimbulkan beberapa masalah. Dua isu utama bagi emulsi HFB ialah jangka hayat komponen yang berkurangan dan penguapan air.

Pelinciran cecair berbasis air

Oleh kerana cecair tahan api berbasis air mengandungi peratusan air yang tinggi untuk mencapai sifat tahan api, daya pelincirannya jauh lebih rendah berbanding minyak petroleum — ini merupakan kelemahan asli.

Walaupun bahan tambah pelincir dan bahan tambah berminyak dimasukkan, penggunaannya tetap mengurangkan jangka hayat komponen. Disebabkan kesan buruk ini, cecair tahan api berbasis air secara amnya tidak digunakan dalam sistem yang beroperasi di atas 1,800 psi (124 bar).

Antara cecair HFA, emulsi HFB, dan air-glikol, emulsi HFB yang stabil mempunyai daya pelinciran terbaik; diikuti oleh air-glikol, kemudian HFA.

Jadual 4-1: Faktor pengurangan pelinciran relatif bagi cecair tahan api berbasis air berbanding minyak petroleum. Faktor yang lebih tinggi bermaksud lebih banyak kerosakan komponen.

Penghapusan air

Ramai pengilang cecair menyarankan suhu operasi maksimum bagi cecair hidraulik berbasis air ialah 140°F (60°C), dan sebaiknya dikekalkan di bawah 120°F (49°C). Di atas 140°F (60°C), perebuan air yang berlebihan mungkin berlaku.

Apabila air menguap daripada cecair berbasis air, beberapa perkara tidak diingini berlaku. Wap air yang keluar daripada cecair tersebut tersejat dan memejat pada permukaan komponen besi yang tidak dilindungi, menyebabkan karat. Selepas jangka masa tertentu, karat tersebut terkelupas dan menjadi sumber kontaminan di seluruh sistem.

Cecair berbasis air secara umumnya mengandungi perencat karat, tetapi mana-mana permukaan logam yang tidak dilindungi dan tidak direndam dalam cecair akan diserang oleh wap akibat perebuan.

Rintangan api cecair berbasis air bergantung pada kandungan air, jadi pengewapan air mengurangkan rintangan api. Pengewapan juga mempengaruhi kelikatan — dalam glikol berair, kehilangan air meningkatkan kelikatan; dalam emulsi HFB, kehilangan air mengurangkan kelikatan dan boleh menyebabkan emulsi menjadi tidak stabil. Untuk mengekalkan rintangan api yang optimum dan kelikatan yang sesuai, kandungan air dalam cecair tahan api berbasis air mesti diperiksa secara berkala dan dikekalkan dalam julat kepekatan yang sempit.

Rajah 4-11: Pengewapan air daripada cecair berbasis air. Pengewapan mengurangkan rintangan api, mengubah kelikatan, dan membenarkan wap mengembun pada permukaan logam serta menyebabkan karat.

Cecair Hidraulik Tahan Api Sintetik (HFDR)

Cecair hidraulik tahan api sintetik ialah minyak buatan manusia yang terkenal dengan rintangan apinya yang tinggi, manakala sifat pelincirannya hampir sama dengan minyak petroleum. Cecair tahan api sintetik yang paling lazim digunakan ialah ester fosfat.

Nota: Cecair tahan api sintetik tidak boleh dicampurkan dengan resin silikon, ester silikat, ester asid dibasik, sebatian ester poliol, polieter, atau cecair sintetik lain. Sebatian sintetik ini mungkin mempunyai sifat khusus yang diperlukan untuk aplikasi tertentu, tetapi secara umumnya tidak dianggap tahan api.

Cecair ester fosfat berfungsi dengan baik pada tekanan tinggi dan mempunyai rintangan api yang sangat baik, tetapi harganya mahal. Dalam sistem tekanan tinggi yang memerlukan sifat tahan api, disebabkan oleh kos ester fosfat, campuran ester fosfat dan minyak petroleum boleh digunakan. Campuran ini menyediakan pelinciran yang diperlukan oleh sistem, tetapi rintangan apinya tidak sebaik ester fosfat tulen.

Perbandingan antara cecair tahan api berbasis air dan cecair tahan api sintetik

Apabila membandingkan cecair tahan api berbasis air dan cecair tahan api sintetik:

6. Cecair sintetik mempunyai pelinciran yang lebih baik dan boleh beroperasi pada tekanan yang lebih tinggi.
7. Cecair sintetik lebih mahal.
8. Cecair sintetik mempunyai rintangan api yang lebih baik.
9. Cecair ester fosfat mempunyai takat nyala sekitar 455°F (235°C), takat api sekitar 665°F (352°C), dan suhu pengapian sendiri sekitar 1,150°F (621°C).

Cecair berbasis air tidak menunjukkan rintangan api melalui takat nyala dan takat api — kerana cecair tersebut mengandungi air. Suhu pengapian sendiri cecair glisil-air adalah sekitar 1,100°F (593°C); manakala untuk emulsi HFB, suhu pengapian sendiri adalah sekitar 825°F (440.6°C).

Rajah 4-14: Empat jenis cecair tahan api dan dram penyimpanannya. Dari kiri: sintetik (ester fosfat), campuran ester fosfat-minyak, emulsi HFB, dan glisil-air.

Masalah dengan Cecair Hidraulik Tahan Api

Penggunaan cecair tahan api dalam sistem hidraulik menimbulkan beberapa masalah, termasuk: keserasian dengan getah penutup dan salutan pelindung, pembentukan buih dan pengekalan udara, serta pengendapan.

Keserasian cecair tahan api

Bahan yang paling biasa digunakan untuk segel dinamik dalam sistem minyak petroleum ialah getah nitril (Buna-N). Bahan ini juga sesuai dengan emulsi HFB dan gliserol berair. Apabila sistem beralih daripada minyak petroleum kepada emulsi HFB atau gliserol berair, jika segel sedia ada terbuat daripada getah nitril, segel tersebut tidak perlu digantikan. Namun, jika beralih kepada cecair sintetik seperti ester fosfat, penggantian segel adalah diperlukan.

Apabila beralih daripada minyak petroleum kepada cecair hidraulik berbasis air, masalah mungkin timbul pada lapisan pelindung. Jika bahagian dalam tangki dijaga dengan lapisan atau cat yang sesuai dengan minyak petroleum, cecair berbasis air tersebut boleh melarutkan lapisan-lapisan tersebut.

Air-glikol dan beberapa pekat kimia tidak sesuai dengan logam tertentu. Bahan-bahan ini boleh mengakis zink, kadmium, magnesium, dan beberapa aloi aluminium, menghasilkan slag melekat yang menyumbat lubang injap dan penapis serta boleh menyebabkan pemejalan spul injap. Oleh itu, disyorkan bahawa komponen yang mengandungi logam-logam ini atau dilapisi dengan logam-logam ini tidak digunakan bersama air-glikol. Komponen-komponen tersebut boleh termasuk paip berlapis elektro, skrin penapis berlapis zink atau kadmium, suku cadang paip, dan aksesori takungan.

Bahan segel getah nitril biasa yang digunakan untuk segel dinamik dalam sistem minyak petroleum tidak diterima oleh ester fosfat atau campuran ester fosfat — cecair-cairan tersebut memerlukan fluoroelastomer (Viton), getah berbasis epoksi, atau bahan segel lain yang sesuai.

Cecair sintetik tahan api mungkin melarutkan cat dan varnis yang sesuai dengan minyak petroleum, tetapi tidak mengakis logam-logam biasa dalam sistem hidraulik.

Pembentukan buih dan pengekalan udara dalam cecair tahan api

Berbandingkan minyak petroleum, cecair tahan api berbasis air dan sintetik lebih cenderung mengekalkan udara dan berbuih. Selepas cecair kerja kembali ke takungan, cecair tahan api memerlukan masa yang lebih lama di dalam takungan untuk membebaskan semua gelembung udara yang terkumpul.

Oleh itu, sistem yang menggunakan cecair tahan api harus mempunyai takungan yang lebih besar berbanding sistem yang menggunakan minyak petroleum.

pengendapan dalam Cecair Tahan Api

Apabila cecair tahan api kembali ke takungan, ia lebih mudah mengekalkan kontaminan terapung berbanding minyak petroleum. Cecair tersebut seharusnya membenarkan sebarang kontaminan bersaiz sesuai mengendap ke dasar takungan; namun, dalam cecair tahan api, kontaminan tidak mengendap dengan mudah.

Oleh itu, apabila suatu sistem menggunakan cecair hidraulik tahan api, perkara pertama yang perlu dipertimbangkan ialah menerapkan langkah penapisan cecair yang baik, dan penapis magnetik tidak boleh diabaikan.

Pedoman Pemeliharaan

Penyimpanan

Penyimpanan cecair hidraulik tahan api pada asasnya adalah sama seperti penyimpanan minyak petroleum — dram harus disimpan secara mengufuk supaya air tidak terkumpul di bahagian atas dan meresap masuk.

Bagi emulsi HFB, terdapat keperluan tambahan dalam penyimpanan: kerana kitaran beku-cair berulang-ulang mempengaruhi kestabilannya, emulsi ini perlu dijaga dengan teliti agar tidak membeku semasa penyimpanan.

Memindahkan cecair dari dram ke takungan

Memindahkan cecair dari dram penyimpanan ke takungan merupakan langkah penting lain. Sebelum membuka penutup dram, bersihkan penutup dram dan sediakan semua peralatan serta alat yang diperlukan untuk proses pemindahan: hos lentur, pam pemindahan, corong, penapis isian takungan, dan tangan operator. Semak sama ada jenama dan kelikatan cecair dalam dram adalah betul.

Jika pam pemindahan digunakan untuk mengalirkan cecair tahan api, pastikan tiada cecair sisa jenis lain yang tertinggal di dalam pam, dan bahan-bahan pam serta sambungannya sesuai dengan cecair tersebut.

Selepas cecair tahan api dimasukkan ke dalam takungan, ia perlu diselenggara dan dipantau pada sela-sela yang ditetapkan. Penyelenggaraan minyak termasuk: mengisi semula hingga paras minimum, menangani kebocoran, dan mengganti unsur-unsur penapis.

Cecair hidraulik berbasis air perlu diperiksa secara berkala untuk kandungan air — kepekatan mesti dikekalkan dalam julat yang sangat sempit; jika tidak, kelikatan dan rintangan terhadap api akan terjejas.

Secara umumnya, tidak digalakkan menambah air ke dalam emulsi HFB kerana proses ini memerlukan pengemulsian semula. Menambah air ke dalam larutan air-glikol adalah amalan biasa, tetapi ini tidak boleh dilakukan hanya dengan memasukkan hos taman ke dalam takungan. Air tambahan tidak boleh mengandungi deposit mineral yang akan mencemarkan sistem. Air suling atau air terdeionkan sesuai untuk larutan air-glikol; jumlah yang perlu ditambah harus ditentukan melalui analisis makmal terhadap sampel minyak.

* HFA jarang digunakan dalam sistem tekanan tinggi disebabkan pelinciran yang sangat lemah; had tekanan lebih merupakan batasan praktikal berbanding batasan teknikal.