Petroleumolie is een uitstekende smeermiddel, dus systemen die het als energieoverdrachtsmedium gebruiken, kunnen een lange en betrouwbare levensduur verwachten. In veel systemen en toepassingen heeft petroleumolie echter één belangrijk nadeel: onder druk kan olie via lekken spuiten en een nevel vormen (oliespray). Deze nevel is de oorzaak geweest van talloze industriële branden.

Bij normaal gebruik van petroleumolie is het brandrisico niet erg hoog — omdat minerale olie bij kamertemperatuur niet gemakkelijk ontvlambaar is en een vuilblussende werking heeft die vergelijkbaar is met die van een houten lucifer. Wanneer echter hogedrukleidingen kleine lekken ontwikkelen, spuit de olie er als een fijne nevel uit. Nevel is een zeer brandbare mengsel dat zeer gemakkelijk kan ontbranden — dit type lek kan worden beschouwd als een brandstofinjector.

In industriële omgevingen met brandrisico is de eerste zorg de veiligheid van de werknemers en het vermogen om de productie te handhaven zonder onbedoelde branden. Indien de omgeving onbedoelde ontstekingsbronnen kan genereren, zijn brandwerende hydraulische vloeistoffen vereist. Het gebruik van dergelijke vloeistoffen verhoogt de bedrijfskosten (brandwerende vloeistoffen zijn duurder dan minerale olie) en verkort de levensduur van componenten.

Het doel van dit hoofdstuk is om de veelgebruikte brandwerende hydraulische vloeistoffen in hydraulische systemen te identificeren, enkele problemen bij het gebruik ervan te bespreken en onderhoudsrichtlijnen te geven.

Bepalen van brandweerstand

Brandwerende vloeistoffen zijn niet brandwerend — zoals de naam al suggereert, zijn ze eenvoudig moeilijk te ontsteken. Indien een brandwerende vloeistof wordt verhit tot een voldoende hoge temperatuur, zal deze uiteindelijk toch ontsteken.

De vuurbestendigheid van een specifieke vloeistof wordt bepaald door drie technische metingen: het vlampunt, het brandpunt en de zelfontstekingstemperatuur. De referentievloeistof in de volgende drie testbeschrijvingen is op petroleum gebaseerde hydraulische olie.

Ontbrandpunt

Het vlampunt van een vloeistof is de temperatuur waaraan deze moet worden verwarmd voordat hij zoveel damp vrijgeeft van zijn oppervlak dat deze ontbrandt wanneer er een vlam aan wordt gehouden. Voor petroleumgebaseerde hydraulische olie wordt bij verwarming tot 350–450 °F (176,6–232,2 °C) voldoende damp vrijgegeven om te ontbranden wanneer er een vlam aan wordt gehouden. Zodra de vlam echter wordt weggenomen, stopt de verbranding.

Brandpunt

Het brandpunt is de temperatuur waaraan de olie moet worden verwarmd zodat deze blijft branden nadat de testvlam is verwijderd. Boven deze temperatuur wordt zoveel damp vrijgegeven van het olieoppervlak dat, zodra deze eenmaal ontbrand is, de olie zelfstandig blijft branden, zelfs nadat de vlambron is weggenomen.

Zelfontbrandpunt

De zelfontstekingstemperatuur (AIT) is de temperatuur waaronder de olie vanzelf ontbrandt, zonder externe vlam of vonk. Bij petroleumhydraulische olie ontbrandt deze spontaan bij verwarming tot 500–700 °F (260–371 °C).

Vloeistoffen die zijn ingedeeld als vuurbestendig hebben hogere vlampunten, brandpunten en zelfontstekingstemperaturen dan op petroleum gebaseerde oliën.

Soorten vuurbestendige hydraulische vloeistoffen

Vuurbestendige vloeistoffen kunnen worden onderverdeeld in twee hoofdcategorieën: watergebaseerde en synthetische.

Watergebaseerde hydraulische vloeistoffen

Het eerste hydraulische werkmedium was water. Water heeft enkele nadelen (vooral wat betreft smering), maar is niet brandbaar; daarom was de oorspronkelijke aanpak bij behoefte aan vuurbestendigheid eenvoudigweg terugkeren naar water. Omdat echter een zekere mate van smering noodzakelijk is, werden olie en water met elkaar geëmulgeerd.

Water-in-olie-emulsie (W/O-emulsie)

Dit is een op water gebaseerde brandwerende vloeistof die bestaat uit water en olie. Het is geen oplossing — olie en water lossen niet in elkaar op. In deze vloeistof wordt de olie door een chemische emulgator in uiterst fijne druppeltjes verdeeld en gelijkmatig verspreid doorheen de waterdrager, wat de smeringskwaliteit verbetert. Wanneer deze vloeistof in contact komt met een vlam, verandert het water in stoom en blust deze de vlam.

Deze tweefasige water/olie-vloeistof wordt een emulsie genoemd. Tijdens de periode waarin dit type vloeistof veelvuldig werd gebruikt, bedroeg de typische verhouding 60% water tot 40% olie, waarbij water de hoofdfase vormde en olie de gedispergeerde druppeltjes.

Vloeistof met hoog watergehalte (HFA)

Dit is een vuurbestend vloeistof waarvan water het hoofdbestanddeel is. Momenteel wordt dit type zelden gebruikt in hydraulische systemen, behalve in systemen waarbij grote hoeveelheden werkvloeistof verloren gaan door lekkage — systemen die deze vloeistof gebruiken ruilen een kortere onderdelenlevensduur in voor een zekere economische voordeligheid, omdat de vloeistof relatief goedkoop is (water maakt ten minste 90% van de inhoud uit).

Een emulsie met een oliegehalte van 1–10% wordt een hoog-watergehalte-vloeistof genoemd (olie-in-water-oplossing). Als iemand zegt dat zijn systeem een '5% olieoplossing' gebruikt, betekent dat 95% water en 5% olie, of een chemische concentratie van 95:5.

Olie-in-wateremulsie (HFB)

Moderne water/olie-emulsies die in hydraulische systemen worden gebruikt, zijn melkwitte vloeistoffen bestaande uit 60% olie en 40% water — de verhouding is omgekeerd ten opzichte van het oudere HFA-type (60% water tot 40% olie). Aangezien olie het hoofdbestanddeel van deze vloeistof is en water de gedispergeerde fase vormt, biedt de HFB-emulsie betere smering dan HFA, maar is de vuurbestendigheid licht verminderd.

viscositeit van water/olie-emulsies

Net als petroleumolie is viscositeit een belangrijke eigenschap van water/olie-emulsies. Aangezien het HFA-vloeistof minstens 90% water bevat, is de viscositeit in wezen die van water — waardoor het een relatief slechte smeermiddel is.

Aan de andere kant betekent het feit dat de HFB-emulsie ongeveer 60% olie bevat niet dat de viscositeit gelijk is aan die van de basisolie. Door het schuif-effect tussen de twee fasen vertoont de HFB-emulsie een lagere viscositeit dan verwacht. Om een adequate smering van de systeemcomponenten te garanderen, moet de gebruikte HFB-emulsie een hogere viscositeit hebben dan de petroleumolie die normaal gesproken in het systeem wordt gebruikt. Bijvoorbeeld: als een systeem petroleumolie met een viscositeit van 150 SUS (32 cSt) bij 100°F (37,7°C) gebruikt, dan moet de HFB-emulsie een viscositeit van 375 SUS (80,9 cSt) bij 100°F (37,7°C) hebben.

Wanneer de werkvloeistof door de hydraulische pomp en het systeem stroomt, veroorzaakt het schuureffect tussen de twee fasen een viscositeitsdaling van de HFB-emulsie. Om te waarborgen dat de onderdelen goed gesmeerd worden, dient de viscositeit van de HFB-emulsie hoger te zijn dan die van de normale aardolie voor dat systeem.

Problemen met olie-in-water-emulsies

Het opslaan van watergebaseerde brandwerende vloeistoffen in een reservoir kan problemen veroorzaken. Voor de HFB-emulsie zijn de twee belangrijkste problemen fasenscheiding en bacteriële groei.

Fasescheiding

HFB-emulsies zijn niet ontworpen voor gebruik bij lage temperaturen. Bij 32 °F (0 °C) begint ijs te vormen; bij ongeveer -10 °F (-23,3 °C) bevriest de emulsie volledig. Vries-dooscyclus veroorzaakt scheiding van de twee fasen: bij het vriespunt van water (32 °F / 0 °C) stollen enkele waterdruppeltjes in de emulsie tot ijskristallen. Naarmate het systeem opwarmt en het ijs smelt, hervormt de emulsie niet noodzakelijkerwijs — op dat moment maakt de vloeistof componenten gevoeliger voor roestvorming en is deze geen goede smeermiddel meer.

Herhaalde vries-dooscyclus leidt tot permanente scheiding van de water- en oliefasen. Zodra deze gescheiden zijn, is het zeer moeilijk, zo niet onmogelijk, om de twee fasen weer in een geëmulgeerde toestand te brengen, en wordt brandweerstand een ernstige zorg.

Controleren op fasenscheiding

Visuele inspectie wordt gebruikt om te controleren of de emulsie is gefaseerd. In het reservoir is het moeilijk te bepalen of de twee fasen zijn gescheiden — neem een monster van de olie, giet het in een fles met een brede opening en laat het een tijdje staan. U zult eventueel vrij water op de bodem van de fles zien afzakken.

Als u vermoedt dat de faseafscheiding ernstig is, neem dan contact op met uw vloeistofleverancier — deze kan aanraden de vloeistof te vervangen.

Bacteriële groei

Onder geschikte temperatuurvoorwaarden kunnen bacteriën groeien in de HFB-emulsie. Een grote hoeveelheid bacteriën kan stroomregelklepopeningen en filterelementen verstopten — al deze effecten maken het systeem onbetrouwbaar en leiden tot storingen.

Veel HFB-emulsies bevatten bacteriostatische additieven om dit te voorkomen.

Controleren op bacteriële groei

Bacteriële groei in de HFB-emulsie kan visueel en aan de hand van de geur worden gedetecteerd. Als er bacteriën in de vloeistof zijn gegroeid, lijkt het inlaatfilter bedekt door een viskeuze slijmlaag en verspreidt de vloeistof een vieze geur.

Als er bacteriële groei aanwezig is in de emulsie, moet de vloeistof waarschijnlijk worden vervangen.

Water-glycol (HFC)

Water-glycol is een ander type watergebaseerde brandwerende vloeistof. Het bestaat uit water en glycol (ethyleenglycol) en heeft een chemische structuur die sterk lijkt op automobiel-antivries.

Water-glycol is meestal rood of roze van kleur. Het bevat doorgaans 60% glycol en 40% water, met chemische verdikkingsmiddelen om de viscositeit te verhogen. Aangezien glycol zich daadwerkelijk oplost in water, is deze vloeistof eenvoudig-fasig — in tegenstelling tot emulsies bevat het onder de microscoop geen afzonderlijke water- en glycoldruppels. Water-glycol werkt goed bij lage temperaturen.

Vergelijking van HFB-emulsie en water-glycol

Bij vergelijking van de HFB-emulsie en water-glycol constateren we:

1. De stabiliteit van de HFB-emulsie is slechter dan die van de water-glycoloplossing.
2. Een stabiele HFB-emulsie biedt betere smering.
3. HFB-emulsie is goedkoper.
4. Water-glycol heeft een betere brandwerendheid.
5. Water-glycol werkt beter bij lage temperaturen.

Problemen met watergebaseerde hydraulische vloeistoffen

Het gebruik van een watergebaseerde brandwerende vloeistof in een hydraulisch reservoir veroorzaakt een aantal problemen. Twee belangrijke kwesties voor de HFB-emulsie zijn een verkorte levensduur van componenten en verdamping van water.

Smering met watergebaseerde vloeistoffen

Omdat watergebaseerde brandwerende vloeistoffen een groot aandeel water bevatten om brandwerendheid te bereiken, is hun smerende werking veel lager dan die van petroleumolie — dit is een inherente tekortkoming.

Hoewel smerende additieven en olieachtige additieven zijn opgenomen, verminderen zij nog steeds de levensduur van componenten tijdens gebruik. Vanwege dit nadelige effect worden watergebaseerde brandwerende vloeistoffen over het algemeen niet gebruikt in systemen die boven 1.800 psi (124 bar) werken.

Van de HFA-vloeistof, de HFB-emulsie en water-glycol heeft de stabiele HFB-emulsie de beste smering; gevolgd door water-glycol en vervolgens HFA.

Tabel 4-1 Relatieve smeringsverminderingfactoren voor op water gebaseerde brandwerende vloeistoffen ten opzichte van petroleumolie. Een hogere factor betekent meer slijtage van onderdelen.

Waterverdamming

Veel vloeistofproducenten adviseren dat de maximale bedrijfstemperatuur voor op water gebaseerde hydraulische vloeistoffen 140 °F (60 °C) mag bedragen en idealiter lager dan 120 °F (49 °C) moet blijven. Boven 140 °F (60 °C) kan overmatige waterverdamping optreden.

Wanneer water verdampt uit de op water gebaseerde vloeistof, gebeuren er verschillende ongewenste dingen. De uit de vloeistof ontsnapte waterdamp condenseert op onbeschermd ijzeren onderdelenoppervlakken en veroorzaakt roestvorming. Na verloop van tijd lossen de roestdeeltjes zich af en worden een vervuilingbron in het hele systeem.

Op water gebaseerde vloeistoffen bevatten over het algemeen roestremmers, maar elk onbeschermd metalen oppervlak dat niet ondergedompeld is in de vloeistof, wordt aangetast door de stoom die ontstaat bij verdamping.

De vuurbestendigheid van watergebaseerde vloeistoffen is afhankelijk van het watergehalte, dus vermindert verdamping van water de vuurbestendigheid. Verdamping beïnvloedt ook de viscositeit: bij water-glycol verhoogt het verlies van water de viscositeit; bij HFB-emulsie verlaagt het verlies van water de viscositeit en kan de emulsie instabiel worden. Om optimale vuurbestendigheid en een geschikte viscositeit te behouden, moet het watergehalte van watergebaseerde vuurbestendige vloeistoffen regelmatig worden gecontroleerd en binnen een nauwe concentratieband worden gehandhaafd.

Figuur 4-11 Verdamping van water uit watergebaseerde vloeistoffen. Verdamping vermindert de vuurbestendigheid, verandert de viscositeit en kan leiden tot condensatie van stoom op metalen oppervlakken, waardoor roestvorming optreedt.

Synthetische vuurbestendige hydraulische vloeistof (HFDR)

Synthetische vuurbestendige hydraulische vloeistof is een kunstmatig aangemaakte olie die wordt gekenmerkt door een hoge vuurbestendigheid, terwijl de smerende werking vergelijkbaar is met die van aardolie. De meest gebruikte synthetische vuurbestendige vloeistof is fosfaatester.

Let op: synthetische brandwerende vloeistof mag niet worden gemengd met siliconenharsen, silicaten, dibasische zure esters, polyol-esters, polyethers of andere synthetische vloeistoffen. Deze synthetische verbindingen kunnen specifieke eigenschappen hebben die nodig zijn voor bepaalde toepassingen, maar ze worden over het algemeen niet als brandwerend beschouwd.

Fosfaatester-vloeistof werkt goed onder hoge druk en heeft uitstekende brandweerstand, maar is duur. In hoogdruksystemen met eisen aan brandweerstand kan, vanwege de kosten van fosfaatester, een mengsel van fosfaatester en aardolieolie worden gebruikt. Dit mengsel biedt de smering die het systeem nodig heeft, maar de brandweerstand is minder goed dan die van zuivere fosfaatester.

Vergelijking tussen watergebaseerde en synthetische brandwerende vloeistoffen

Bij het vergelijken van watergebaseerde en synthetische brandwerende vloeistoffen:

6. Synthetische vloeistoffen bieden betere smering en kunnen bij hogere druk worden gebruikt.
7. Synthetische vloeistoffen zijn duurder.
8. Synthetische vloeistoffen hebben een betere brandweerstand.
9. Fosfaatestervloeistof heeft een vlampunt van ongeveer 455 °F (235 °C), een brandpunt van ongeveer 665 °F (352 °C) en een zelfontstekingstemperatuur van ongeveer 1.150 °F (621 °C).

Watergebaseerde vloeistoffen tonen geen brandweerstand via vlampunt en brandpunt — omdat deze vloeistoffen water bevatten. De zelfontstekingstemperatuur van water-glycol bedraagt ongeveer 1.100 °F (593 °C); voor de HFB-emulsie bedraagt de zelfontstekingstemperatuur ongeveer 825 °F (440,6 °C).

Figuur 4-14: Vier soorten brandwerende vloeistoffen en hun opslagvaten. Van links naar rechts: synthetisch (fosfaatester), fosfaatester-olie mengsel, HFB-emulsie en water-glycol.

Problemen met brandwerende hydraulische vloeistoffen

Het gebruik van brandwerende vloeistoffen in hydraulische systemen geeft bepaalde problemen, waaronder: verenigbaarheid met afdichtingen en beschermende coatings, schuimvorming en luchtretentie, en sedimentatie.

Verenigbaarheid van brandwerende vloeistoffen

Het meest gebruikte materiaal voor dynamische afdichtingen in petroleumolie-systemen is nitrilrubber (Buna-N). Dit materiaal is ook compatibel met HFB-emulsie en water-glycol. Wanneer een systeem overschakelt van petroleumolie naar HFB-emulsie of water-glycol, hoeven bestaande afdichtingen van nitrilrubber niet te worden vervangen. Bij overschakeling naar een synthetische vloeistof zoals fosfaatester is echter vervanging van de afdichtingen vereist.

Bij overschakeling van petroleumolie naar een watergebaseerde hydraulische vloeistof kunnen problemen optreden met beschermende coatings. Indien het reservoir van binnenuit is beschermd met een coating of verf die compatibel is met petroleumolie, kan de watergebaseerde vloeistof deze coatings oplossen.

Water-glycol en sommige chemische concentraatoplossingen zijn onverenigbaar met bepaalde metalen. Ze kunnen zink, cadmium, magnesium en sommige aluminiumlegeringen aantasten, waardoor kleverige slak wordt gevormd die kleporifices en filters verstopt en klepschijfsticking kan veroorzaken. Daarom wordt aanbevolen om componenten die deze metalen bevatten of met deze metalen zijn gegalvaniseerd, niet te gebruiken met water-glycol. Dergelijke componenten kunnen onder andere galvanisch verzinkte buizen, met zink of cadmium gegalvaniseerde filterschermen, buisfittingen en reservoiraccessoires omvatten.

Het veelgebruikte nitrilrubber afdichtingsmateriaal voor dynamische afdichtingen in petroleumolie-systemen is niet geschikt voor fosfaatesters of mengsels op basis van fosfaatesters — deze vloeistoffen vereisen fluoroelastomeer (Viton), epoxygebaseerd rubber of andere compatibele afdichtingsmaterialen.

Synthetische brandwerende vloeistof kan verf- en laklagen die compatibel zijn met petroleumolie oplossen, maar corrodeert niet de gangbare metalen in een hydraulisch systeem.

Schuimvorming en luchtretentie in brandwerende vloeistoffen

In vergelijking met petroleumolie zijn watergebaseerde en synthetische brandwerende vloeistoffen gevoeliger voor luchtretentie en schuimvorming. Nadat de werkvloeistof naar de reservoir terugkeert, heeft de brandwerende vloeistof meer tijd nodig in de reservoir om alle opgehoopte luchtbellen te ontsnappen.

Daarom moeten systemen die brandwerende vloeistoffen gebruiken een grotere reservoir hebben dan systemen die petroleumolie gebruiken.

afschakeling van verontreinigingen in brandwerende vloeistoffen

Wanneer brandwerende vloeistof naar de reservoir terugkeert, houdt deze in vergelijking met petroleumolie gemakkelijker drijvende verontreinigingen vast. De vloeistof moet toelaten dat elke passend grootteverontreiniging naar de bodem van de reservoir zakt, maar in brandwerende vloeistoffen zakt verontreiniging minder gemakkelijk naar beneden.

Daarom is het bij systemen die brandwerende hydraulische vloeistof gebruiken het eerste wat moet worden overwogen het toepassen van goede vloeistoffiltratiemaatregelen; magnetische filters mogen niet worden genegeerd.

Onderhoudsrichtlijnen

Opslag

De opslag van brandwerend hydraulisch olie is in wezen hetzelfde als die van aardolie — vaten moeten zijwaarts worden opgeslagen, zodat er zich geen water bovenop verzamelt en naar binnen sijpelt.

Voor de HFB-emulsie geldt een aanvullende opslagvereiste: omdat herhaalde bevries- en ontdooicycli de stabiliteit ervan beïnvloeden, moet deze tijdens de opslag zorgvuldig tegen bevriezing worden beschermd.

Overbrengen van vloeistof van vat naar reservoir

Het overbrengen van vloeistof van opslagvaten naar het reservoir is een andere belangrijke stap. Voordat u de dop van het vat verwijdert, reinigt u het deksel van het vat en bereidt u alle benodigde apparatuur en gereedschappen voor het overbrengingsproces voor: flexibele slang, overpomp, trechter, vulfilter voor het reservoir en de handen van de operator. Controleer of de merknaam en viscositeit van de vloeistof in het vat correct zijn.

Als een overpomp wordt gebruikt om de brandwerende vloeistof te verplaatsen, moet u ervoor zorgen dat er geen restvloeistof van een ander type in de pomp aanwezig is en dat de pompmaterialen en aansluitingen compatibel zijn met de vloeistof.

Nadat brandwerend vloeistof in de reservoir is gebracht, dient deze op de gespecificeerde intervallen te worden onderhouden en bewaakt. Onderhoud van de olie omvat: aanvullen tot het minimumniveau, afhandelen van lekkages en vervangen van filterelementen.

WATERGEBASEERDE hydraulische vloeistof moet regelmatig worden gecontroleerd op watergehalte — de concentratie moet binnen een zeer nauwe band worden gehandhaafd; anders worden de viscositeit en de brandweerstand beïnvloed.

Het is over het algemeen niet aanbevolen om water toe te voegen aan een HFB-emulsie, omdat dit een heremulgeringsproces vereist. Het toevoegen van water aan een water-glycoloplossing is wel gebruikelijk, maar dit mag niet eenvoudigweg door een tuinslang in de reservoir te laten lopen. Het aanvulwater mag geen minerale neerslag bevatten die het systeem zou verontreinigen. Gedestilleerd of gedemineraliseerd water is geschikt voor water-glycoloplossingen; de toe te voegen hoeveelheid moet worden bepaald op basis van laboratoriumanalyse van de olieproef.

* HFA wordt zelden gebruikt in hoogdruksystemen vanwege de zeer slechte smering; de druklimiet is meer een praktische dan een technische beperking.