Petroleumbasert olje er en utmerket smøremiddel, så systemer som bruker den som energioverføringsmedium kan forvente en lang og pålitelig levetid. Imidlertid har petroleumbasert olje én betydelig ulempe i mange systemer og applikasjoner: under trykk kan oljen sprute ut gjennom lekkasjer og danne en tåke (oljetåke). Denne tåken har blitt årsaken til mange industrielle branner.

Når vi vanligvis bruker petroleumbasert olje, er brannrisikoen ikke særlig høy – fordi mineralolje ikke antennes lett ved romtemperatur og har en flammeslokkende evne som likner den til en tre-til-tre-tenkermatch. Men når høytrykksledninger utvikler små lekkasjer, spruter oljen ut som en fin tåke. Tåke er en svært brennbar blanding som kan antennes veldig lett – denne typen lekkasje kan betraktas som en brenselsinjektor.

I industrielle miljøer med brannfare er den første bekymringen sikkerheten til arbeidstakerne og evnen til å opprettholde produksjonen uten utilsiktede branner. Hvis miljøet kan produsere utilsiktede antenningskilder, er det nødvendig med brannhemmende hydraulikkvæsker. Bruk av slike væsker øker driftskostnadene (brannhemmende væsker koster mer enn mineralolje) og reduserer levetiden til komponentene.

Formålet med dette kapittelet er å identifisere de brannhemmende hydraulikkvæskene som vanligvis brukes i hydrauliske systemer, diskutere noen problemer knyttet til bruken av dem og gi vedlikeholdsanbefalinger.

Fastsettelse av brannmotstand

Brannhemmende væsker er ikke brannsikre — som navnet antyder, er de bare vanskelige å tenne. Hvis en brannhemmende væske oppvarmes til en høy nok temperatur, vil den til slutt antennes.

Brannmotstanden til en bestemt væske bestemmes av tre tekniske målinger: flashpunkt, brannpunkt og selvantennelsestemperatur. Referansevæsken i de følgende tre testbeskrivelsene er hydraulisk olje basert på petroleum.

Frammelingspunkt

Flashpunktet til en væske er temperaturen den må oppvarmes til før den frigir nok damp fra overflaten sin til å antennes hvis en flamme tilføres. For petroleumbasert hydraulisk olje frigis det nok damp til å antennes når den oppvarmes til 350–450 °F (176,6–232,2 °C). Når flammen deretter fjernes, slutter imidlertid forbrenningen.

Brannpunkt

Brannpunktet er temperaturen som oljen må oppvarmes til for at den fortsetter å brenne etter at testflammen er fjernet. Over denne temperaturen frigis det nok damp fra oljeoverflaten til at oljen, når den først er antent, fortsetter å brenne selvstendig etter at flamme-kilden er borte.

Selvbrannstemperatur

Selstantennelsestemperaturen (AIT) er den temperatur hvor oljen antennes av seg selv uten ekstern flamme eller gnist. For petroleumsbasert hydraulikkolje antennes den spontant hvis den oppvarmes til 500–700 °F (260–371 °C).

Væsker som er klassifisert som brannsikre har høyere flashpunkt, brannpunkt og selvantennelsestemperatur enn petroleumsbaserte oljer.

Typer brannsikre hydraulikkvæsker

Brannsikre væsker kan deles inn i to hovedkategorier: vannbaserte og syntetiske.

Vannbaserte hydraulikkvæsker

Det første hydrauliske arbeidsmediet var vann. Vann har noen ulemper (spesielt når det gjelder smøring), men det er ikke brennbart, så den opprinnelige fremgangsmåten når brannsikkerhet var nødvendig, var ganske enkelt å bytte tilbake til vann. Men siden noe smøring er nødvendig, ble olje og vann emulgeret sammen.

Vann-i-olje-emulsjon (W/O-emulsjon)

Dette er en vannbasert flammehemmende væske som består av vann og olje. Det er ikke en løsning – olje og vann løser seg ikke opp i hverandre. I denne væsken er oljen fordelt i ekstremt fine dråper ved hjelp av en kjemisk emulgeringsmiddel og jevnt fordelt i vannbæreren, noe som forbedrer dens smøreegenskaper. Når denne væsken kommer i kontakt med en flamme, forvandles vannet til damp og slukker brannen.

Denne tofase-vann/olje-væsken kalles en emulsjon. I perioden da denne typen væske ble mye brukt, var den typiske blandingsforholdet 60 % vann til 40 % olje, der vann var hovedfasen og oljen var de fordelt dråpene.

Vannbasert væske med høy vanninnhold (HFA)

Dette er en brannhemmende væske der vann er hovedkomponenten. For tiden brukes denne typen sjelden i hydrauliske systemer, bortsett fra systemer der store mengder arbeidsvæske går tapt på grunn av lekkasje — systemer som bruker den, ofrer forkortet levetid for komponentene for å oppnå en viss økonomisk fordel, siden den er relativt billig (vann utgjør minst 90 % av innholdet).

En emulsjon med 1–10 % oljeinnhold kalles en vannbasert væske med høyt vanninnhold (olje-i-vann-løsning). Hvis noen sier at deres system bruker «5 % oljeløsning», betyr det 95 % vann og 5 % olje, eller en kjemisk konsentrasjon på 95:5.

Olje-i-vann-emulsjon (HFB)

Moderne vann/olje-emulsjoner som brukes i hydrauliske systemer er melkehvite væsker bestående av 60 % olje og 40 % vann — forholdet er omvendt i forhold til den eldre HFA-typen (60 % vann til 40 % olje). Siden hovedkomponenten i denne væsken er olje, mens vann er den fordelt fasen, har HFB-emulsjonen bedre smøreegenskaper enn HFA, men dens brannhemmende egenskaper er litt redusert.

viskositet til vann/oljeemulsjoner

Som petroleumolje er viskositet en viktig egenskap ved vann/oljeemulsjoner. Siden HFA-væsken har et vanninnhold på minst 90 %, er viskositeten i praksis den samme som for vann – noe som gjør den til en relativt svak smøremiddel.

På den andre siden betyr det ikke at viskositeten til HFB-emulsjonen, som består av ca. 60 % olje, tilsvarer viskositeten til grunnoljen. På grunn av skjærkreftene mellom de to fasene viser HFB-emulsjonen en lavere viskositet enn forventet. For å sikre tilstrekkelig smøring av systemkomponentene bør den brukte HFB-emulsjonen ha en høyere viskositet enn den vanlige petroleumoljen som brukes i systemet. For eksempel, hvis et system bruker petroleumolje med en viskositet på 150 SUS (32 cSt) ved 100 °F (37,7 °C), bør HFB-emulsjonen ha en viskositet på 375 SUS (80,9 cSt) ved 100 °F (37,7 °C).

Når arbeidsvæsken strømmer gjennom hydraulikkpumpen og systemet, fører skjæreverkningen mellom de to fasene til at HFB-emulsjonen viser en senkning i viskositet. For å sikre at komponentene er godt smurt, bør viskositeten til HFB-emulsjonen være høyere enn viskositeten til vanlig petroleumsole for det aktuelle systemet.

Problemer med olje-i-vann-emulsjoner

Lagring av vannbaserte brannsikre væsker i et reservoar kan føre til problemer. For HFB-emulsjonen er de to hovedproblemene faseadskillelse og bakterievekst.

Faseadskillelse

HFB-emulsjoner er ikke utformet for drift ved lave temperaturer. Ved 32 °F (0 °C) begynner is å danne seg; ved ca. -10 °F (-23,3 °C) fryser emulsjonen fullstendig. Frys-og-tiltiningssykluser fører til at de to fasene skiller seg fra hverandre: ved vanns frysepunkt (32 °F / 0 °C) stivner noen av vandrapportene i emulsjonen til iskrystaller. Når systemet varmes opp igjen og isen smelter, gjenopprettes emulsjonen ikke nødvendigvis — på dette tidspunktet gjør væsken komponentene mer utsatt for rust og er ikke lenger en god smøremiddel.

Gjentatte frys-og-tiltiningssykluser fører til permanent separasjon av vann- og oljefasen. Når fasene først er separert, er det svært vanskelig – om ikke umulig – å få dem tilbake i emulgeret tilstand, og brannmotstand blir en alvorlig bekymring.

Sjekk for faseadskillelse

Visuell inspeksjon brukes for å sjekke om emulsjonen har faseskilt. Det er vanskelig å avgjøre i reservoaret om de to fasene har skilt seg — ta et prøveutdrag av oljen, hell den i en flaske med bred munning og la den stå en stund. Du vil se eventuelt fritt vann synke til bunnen av flasken.

Hvis du mistenker at faseskiltingen er alvorlig, kontakt leverandøren av væsken — de kan anbefale å bytte ut væsken.

Bakterievekst

Under passende temperaturforhold kan bakterier vokse i HFB-emulsjonen. Store mengder bakterier kan blokkere strømningsreguleringsventilens åpninger og filterelementer — alle disse effektene gjør systemet upålitelig og fører til feilfunksjon.

Mange HFB-emulsjoner inneholder bakteriostatiske additiver for å hindre dette.

Sjekk for bakterievekst

Bakterievekst i HFB-emulsjonen kan oppdages visuelt og ved lukt. Hvis bakterier har vokst i væsken, ser inntaksfilteret ut til å være bekledd med en viskøs slimlag, og væsken avgir en ubehagelig lukt.

Hvis bakterievekst er til stede i emulsjonen, vil væsken sannsynligvis måtte byttes ut.

Vann-glykol (HFC)

Vann-glykol er en annen type vannbasert flammehemmende væske. Den består av vann og glykol (etylenglykol), og dens kjemiske struktur er meget lik bilantifrysevæske.

Vann-glykol er vanligvis rød eller rosa i farge. Den inneholder typisk 60 % glykol og 40 % vann, med kjemiske tykkere midler som er tilsatt for å øke viskositeten. Siden glykol faktisk løser seg i vann, er denne væsken enfasisk – i motsetning til emulsjoner inneholder den ikke separate vann- og glykoldråper når den undersøkes under mikroskop. Vann-glykol fungerer godt ved lave temperaturer.

Sammenligning av HFB-emulsjon og vann-glykol

Ved sammenligning av HFB-emulsjon og vann-glykol finner vi:

1. Stabiliteten til HFB-emulsjon er dårligere enn stabiliteten til vann-glykol-løsning.
2. En stabil HFB-emulsjon har bedre smøringsegenskaper.
3. HFB-emulsjon er billigere.
4. Vann-glykol har bedre flammehemmende egenskaper.
5. Vann-glykol fungerer bedre ved lave temperaturer.

Problemer med vannbaserede hydraulikkvæsker

Bruk av vannbaserede brannsikre væsker i et hydraulikkreservoar gir visse problemer. To hovedproblemer for HFB-emulsjonen er redusert levetid for komponenter og fordampning av vann.

Smøring med vannbaserede væsker

Siden vannbaserede brannsikre væsker inneholder en stor andel vann for å oppnå brannsikkerhet, er deres smøreevne mye lavere enn petroleumsole — dette er en iboende svakhet.

Selv om smøreadditiver og oljeaktige additiver er inkludert, reduserer de fortsatt levetiden til komponenter i bruk. På grunn av denne ugunstige virkningen brukes vannbaserede brannsikre væsker vanligvis ikke i systemer som opererer over 1 800 psi (124 bar).

Av HFA-væske, HFB-emulsjon og vann-glykol har den stabile HFB-emulsjonen best smøreevne; etterfulgt av vann-glykol, og deretter HFA.

Tabell 4-1: Relative smøringssenkende faktorer for vannbaserte brannsikre væsker i forhold til petroleumsole. En høyere faktor betyr mer slitasje på komponenter.

Vannavdampning

Mange væskeprodusenter anbefaler at den maksimale driftstemperaturen for vannbaserte hydraulikkvæsker bør være 140 °F (60 °C), og helst holdes under 120 °F (49 °C). Over 140 °F (60 °C) kan overdreven vannfordampning oppstå.

Når vann fordampes fra den vannbaserte væsken, skjer flere uønskede ting. Vann damp som forlater væsken kondenserer på ubeskyttede jernkomponents overflater og forårsaker rust. Etter en tid løsner rusten seg og blir en forurensningskilde i hele systemet.

Vannbaserte væsker inneholder vanligvis rusthemmere, men enhver ubeskyttet metallflate som ikke er nedsenket i væsken vil angripes av dampen fra fordampningen.

Brannmotstanden til vannbaserede væsker avhenger av vanninnholdet, så fordampning av vann reduserer brannmotstanden. Fordampning påvirker også viskositeten — i vann-glykol øker viskositeten ved tap av vann; i HFB-emulsjon reduserer vannfordampning viskositeten og kan gjøre emulsjonen ustabil. For å opprettholde optimal brannmotstand og passende viskositet må vanninnholdet i vannbaserede brannsikre væsker sjekkes regelmessig og holdes innenfor et smalt konsentrasjonsområde.

Figur 4-11: Vannfordampning fra vannbaserede væsker. Fordampning reduserer brannmotstanden, endrer viskositeten og tillater damp å kondensere på metallflater og forårsake rust.

Syntetisk brannsikker hydraulikkvæske (HFDR)

Syntetisk brannsikker hydraulikkvæske er en kunstig fremstilt olje kjent for sin høye brannmotstand, mens dens smøreegenskaper er nært lik petroleumsvæske. Den mest brukte syntetiske brannsikre væsken er fosfatestere.

Merk: Syntetisk ildsikker væske må ikke blandes med silikonharer, silikatestere, dibasiske syreester, polyol-esterforbindelser, polyetere eller andre syntetiske væsker. Disse syntetiske forbindelsene kan ha spesifikke egenskaper som er nødvendige for visse anvendelser, men de anses generelt ikke som ildsikre.

Fosfatestervæske fungerer godt under høyt trykk og har utmerket ildsikkerhet, men den er dyr. I høytrykkssystemer med krav til ildsikkerhet kan en blanding av fosfatestervæske og petroleumsvann brukes på grunn av kostnaden ved fosfatestervæske. Denne blandingen gir systemet den smøring det trenger, men dens ildsikkerhet er ikke like god som den til ren fosfatestervæske.

Sammenligning av vannbaserte og syntetiske ildsikre væsker

Når man sammenlikner vannbaserte og syntetiske ildsikre væsker:

6. Syntetiske væsker har bedre smøreegenskaper og kan operere ved høyere trykk.
7. Syntetiske væsker er dyrere.
8. Syntetiske væsker har bedre ildsikkerhet.
9. Fosfatestervæske har et flashpunkt på ca. 455 °F (235 °C), et brannpunkt på ca. 665 °F (352 °C) og en selvantennelsestemperatur på ca. 1 150 °F (621 °C).

Vannbaserte væsker uttrykker ikke brannmotstand gjennom flashpunkt og brannpunkt – fordi disse væskene inneholder vann. Selvantennelsestemperaturen til vann-glykol er ca. 1 100 °F (593 °C); for HFB-emulsjonen er selvantennelsestemperaturen ca. 825 °F (440,6 °C).

Figur 4-14: Fire typer brannmotstandsdyktige væsker og deres lagringsdrummer. Fra venstre: syntetisk (fosfatestervæske), blanding av fosfatestervæske og olje, HFB-emulsjon og vann-glykol.

Problemer med brannmotstandsdyktige hydraulikkvæsker

Bruk av brannmotstandsdyktige væsker i hydrauliske systemer gir visse problemer, blant annet: kompatibilitet med tettningsmaterialer og beskyttelsesbelag, skumdannelse og luftinneslutning samt avsetning.

Kompatibilitet mellom brannmotstandsdyktige væsker

Det mest vanlige materialet for dynamiske tetninger i petroleumssystemer er nitrilkautsjukk (Buna-N). Dette materialet er også kompatibelt med HFB-emulsjon og vann-glykol. Når et system bytter fra petroleum til HFB-emulsjon eller vann-glykol, behöver befintliga tetninger av nitrilkautsjukk ikke bytas ut. Ved bytte til en syntetisk væske, som f.eks. fosfatestere, er imidlertid tetningsbytte påkrevd.

Ved bytte fra petroleum til en vannbaseret hydraulikkvæske kan det oppstå problemer med beskyttelsesbelegg. Hvis innsiden av reservoaren er beskyttet med et belegg eller maling som er kompatibelt med petroleum, kan den vannbaserede væsken løse opp disse beleggene.

Vann-glykol og noen kjemiske konsentrater er inkompatible med visse metaller. De kan korrodere sink, kadmium, magnesium og noen aluminiumlegeringer, og produsere klebrig slagg som blokkerer ventilkraner og filtre, og kan føre til at ventilskiver blir fastsittende. Det anbefales derfor at komponenter som inneholder disse metallene eller er overzinket eller overkadmiumert med disse metallene ikke brukes med vann-glykol. Slike komponenter kan inkludere elektroplated rør, filternett overzinket eller overkadmiumert med sink eller kadmium, rørfittings og reservoartilbehør.

Det vanlige nitrilkautsjuk-sealmaterialet som brukes for dynamiske tetninger i petroleumssystemer godtas ikke av fosfatestere eller fosfatesterblandinger — disse væskene krever fluoroelastomer (Viton), epoksybasert gummimaterialer eller andre kompatible sealmaterialer.

Syntetisk ildhemmende væske kan løse opp maling og lakker som er kompatible med petroleum, men den korroderer ikke de vanligste metallene i et hydraulisk system.

Skum og luftretensjon i ildhemmende væsker

I forhold til petroleumsole er vannbaserte og syntetiske flammehemmende væsker mer utsatt for luftinnslemming og skumning.

Derfor bør systemer som bruker flammehemmende væsker ha et større reservoar enn systemer som bruker petroleumsole.

avsetning i flammehemmende væsker

Når flammehemmende væske returnerer til reservoaret, beholder den lettere flytende forurensninger enn petroleumsole. Væsken bør tillate at alle passende store forurensningspartikler setter seg på bunnen av reservoaret, men i flammehemmende væsker setter slike partikler seg ikke like lett.

Derfor bør det første man vurderer ved bruk av hydraulisk flammehemmende væske være gode filtreringsforanstaltninger for væsken, og magnetfiltre bør ikke overses.

Vedlikeholdsveiledninger

Oppbevaring

Lagring av ildsikret hydraulisk væske er i prinsippet den samme som for petroleumolje — tromler bør lagres på siden slik at vann ikke samler seg på toppen og siver inn.

For HFB-emulsjonen finnes det et ekstra lagringskrav: fordi gjentatte frys-og-tiltiningssykluser påvirker stabiliteten, må den nøye beskyttes mot frysing under lagring.

Overføring av væske fra trommel til reservoar

Overføring av væske fra lagringstromler til reservoaret er et annet viktig trinn. Før trommelproppen fjernes, rengjør trommeldekslet og forbered alt utstyr og verktøy som trengs for overføringsprosessen: fleksibel slange, overføringspumpe, trakt, reservoarfyllfilter og operatørens hender. Sjekk at merkenavnet og viskositeten til væsken i trommelen er riktige.

Hvis en overføringspumpe brukes til å flytte den ildsikrede væsken, må du sikre deg at det ikke er rester av en annen væsketype i pumpen, og at pumpematerialene og tilkoblingene er kompatible med væsken.

Etter at ildfast væske er fylt på i reservoaret, må den vedlikeholdes og overvåkes med angitte intervaller. Oljevedlikehold inkluderer: fylling opp til minimumsnivå, håndtering av lekkasjer og utskifting av filterelementer.

Vannbasert hydraulikkvæske bør sjekkes regelmessig for vanninnhold — konsentrasjonen må holdes innenfor et svært smalt område; ellers vil viskositeten og ildfastheten påvirkes.

Det anbefales generelt ikke å tilsette vann til en HFB-emulsjon, da dette krever en ny emulgeringsprosess. Å tilsette vann til en vann-glykol-løsning er vanlig, men dette bør ikke gjøres ved enkelthen å føre en hagekran inn i reservoaret. Tilført vann bør ikke inneholde mineralavleiringer som kan forurense systemet. Destillert eller deionisert vann er egnet for vann-glykol-løsninger; mengden som skal tilsettes, bør bestemmes ut fra laboratorieanalyse av oljeprøven.

* HFA brukes sjelden i høytrykkssystemer på grunn av svært dårlig smøring; trykkbegrensningen er mer en praktisk enn en teknisk begrensning.