Olej oparty na ropie naftowej jest doskonałym środkiem smarnym, dlatego systemy wykorzystujące go jako środek przekazywania energii mogą liczyć na długą i niezawodną żywotność. Jednak w wielu systemach i zastosowaniach olej oparty na ropie naftowej ma jedną istotną wadę: pod ciśnieniem może wyciekać przez nieszczelności i tworzyć mgiełkę (rozpylony olej). Ta mgiełka stała się przyczyną wielu pożarów przemysłowych.

W normalnych warunkach stosowania oleju opartego na ropie naftowej ryzyko pożaru nie jest bardzo wysokie — ponieważ olej mineralny trudno zapalić w temperaturze pokojowej i posiada zdolność gaszenia płomienia podobną do tej, jaką ma zapałka drewniana. Jednak gdy w rurach pracujących pod wysokim ciśnieniem powstają drobne nieszczelności, olej wyrzuca się w postaci drobnej mgiełki. Mgiełka ta stanowi wysoce łatwopalną mieszaninę, którą można łatwo zapalić — tego typu nieszczelność można porównać do wtryskiwacza paliwa.

W środowiskach przemysłowych z ryzykiem pożaru pierwszym priorytetem jest bezpieczeństwo pracowników oraz możliwość utrzymania produkcji bez przypadkowych pożarów. Jeśli w danym środowisku mogą powstawać przypadkowe źródła zapłonu, konieczne jest stosowanie olejów hydraulicznych odpornych na płomienie. Używanie takich olejów zwiększa koszty eksploatacji (oleje odporne na płomienie są droższe niż oleje mineralne) i skraca żywotność komponentów.

Celem tego rozdziału jest identyfikacja najczęściej stosowanych w układach hydraulicznych olejów hydraulicznych odpornych na płomienie, omówienie niektórych problemów związanych z ich użytkowaniem oraz przedstawienie wytycznych dotyczących konserwacji.

Określanie odporności na płomienie

Oleje odporne na płomienie nie są niepalne — jak wynika z ich nazwy, są one jedynie trudne do zapłonu. Jeśli olej odporny na płomienie zostanie podgrzany do wystarczająco wysokiej temperatury, ostatecznie zapali się.

Odporność ogniowa określonej cieczy jest określana na podstawie trzech pomiarów technicznych: temperatury zapłonu, temperatury palenia oraz temperatury samozapłonu. Cieczą odniesienia w poniższych opisach trzech badań jest olej hydrauliczny na bazie ropy naftowej.

Punkt zapłonu

Temperatura zapłonu cieczy to temperatura, do której musi ona zostać nagrzana, aby wydzielić z jej powierzchni wystarczającą ilość pary, by zapłonąć po zastosowaniu płomienia. W przypadku oleju hydraulicznego na bazie ropy naftowej, po nagrzaniu do 350–450 °F (176,6–232,2 °C) wydziela się wystarczająca ilość pary, by zapłonąć po zastosowaniu płomienia. Jednak po usunięciu płomienia spalanie ustaje.

Temperatura palenia

Temperatura palenia to temperatura, do której olej musi zostać nagrzany, aby nadal się palił po usunięciu płomienia testowego. Powyżej tej temperatury z powierzchni oleju wydziela się taka ilość pary, że po zapłonie olej utrzymuje spalanie samodzielnie, nawet po usunięciu źródła płomienia.

Temperatura samozapłonu

Temperatura samozapłonu (AIT) to temperatura, w której olej zapala się samoczynnie bez zewnętrznego płomienia lub iskry. W przypadku oleju hydraulicznego pochodzenia petrochemicznego zapłon samorzutny następuje po ogrzaniu do temperatury 500–700 °F (260–371 °C).

Płyny klasyfikowane jako odporno na ogień charakteryzują się wyższymi temperaturami zapłonu, temperaturami palenia oraz temperaturami samozapłonu niż oleje pochodzenia petrochemicznego.

Rodzaje odpornych na ogień płynów hydraulicznych

Odporno na ogień płyny hydrauliczne można podzielić na dwie główne kategorie: na bazie wody i syntetyczne.

Płyny hydrauliczne na bazie wody

Pierwszym medium roboczym w układach hydraulicznych była woda. Woda ma pewne wady (szczególnie w zakresie smarowania), ale jest niepalna, dlatego pierwotnym rozwiązaniem w przypadku potrzeby odporności na ogień było po prostu powrót do zastosowania wody. Jednak ponieważ wymagane jest pewne smarowanie, olej i wodę emulgowano ze sobą.

Emulsja woda-w-oleju (emulsja W/O)

Jest to oparta na wodzie ciecz ognioodporna, składająca się z wody i oleju. Nie jest to roztwór — woda i olej nie rozpuszczają się wzajemnie. W tej cieczy olej jest rozproszony w postaci bardzo drobnych kropelek za pomocą chemicznego emulgatora i równomiernie rozprowadzony w nośniku wodnym, co poprawia jej właściwości smarujące. Gdy ta ciecz zetknie się z płomieniem, woda przekształca się w parę i gasi ogień.

Tę dwufazową ciecz woda/olej nazywa się emulsją. W okresie, gdy ten typ cieczy był powszechnie stosowany, typowym stosunkiem było 60% wody do 40% oleju, przy czym woda stanowiła fazę dominującą, a olej – rozproszone kropelki.

Ciecz o wysokiej zawartości wody (HFA)

Jest to ciecz odporna na płomienie, w której woda stanowi główny składnik. Obecnie, z wyjątkiem systemów, w których duże ilości cieczy roboczej ulegają utracie wskutek wycieków, ten typ jest rzadko stosowany w układach hydraulicznych — systemy korzystające z niej wymieniają krótszy czas eksploatacji komponentów na pewną przewagę ekonomiczną, ponieważ jest ona stosunkowo tania (woda stanowi co najmniej 90% jej zawartości).

Emulsja zawierająca 1–10% oleju nazywana jest cieczą o wysokiej zawartości wody (roztwór oleju w wodzie). Jeśli ktoś stwierdza, że jego system używa „5% roztworu oleju”, oznacza to 95% wody i 5% oleju, czyli stosunek chemiczny 95:5.

Emulsja olej-woda (HFB)

Nowoczesne emulsje woda/olej stosowane w układach hydraulicznych to mlecznobiałe ciecze składające się z 60% oleju i 40% wody — stosunek ten jest odwrócony w porównaniu do wcześniejszego typu HFA (60% wody do 40% oleju). Ponieważ głównym składnikiem tej cieczy jest olej, a woda występuje jako faza rozproszona, emulsja HFB zapewnia lepsze smarowanie niż HFA, jednak jej odporność na płomienie jest nieco mniejsza.

wiskozność emulsji woda/olej

Podobnie jak olej naftowy, wiskozność jest ważną właściwością emulsji woda/olej. Ponieważ ciecz HFA zawiera co najmniej 90% wody, jej wiskozność odpowiada zasadniczo wiskozności wody — przez co jest ona stosunkowo słabym środkiem smarnym.

Z drugiej strony, choć emulsja HFB składa się mniej więcej z 60% oleju, nie oznacza to, że jej wiskozność jest równa wiskozności oleju bazowego. Ze względu na efekt ścinania między dwiema fazami emulsja HFB wykazuje niższą wiskozność niż można by się spodziewać. Aby zapewnić odpowiednie smarowanie elementów układu, stosowana emulsja HFB powinna mieć wyższą wiskozność niż olej naftowy zwykle używany w tym układzie. Na przykład, jeśli w układzie stosowany jest olej naftowy o wiskozności 150 SUS (32 cSt) w temperaturze 100°F (37,7°C), to emulsja HFB powinna mieć wiskozność 375 SUS (80,9 cSt) w temperaturze 100°F (37,7°C).

Gdy ciecz robocza przepływa przez pompę hydrauliczną i układ, efekt ścinania między dwiema fazami powoduje spadek lepkości emulsji HFB. Aby zapewnić odpowiednie smarowanie komponentów, lepkość emulsji HFB powinna być wyższa niż lepkość standardowego oleju petroleumowego przeznaczonego dla danego układu.

Problemy z emulsjami olej-woda

Przechowywanie wodnych płynów odpornych na zapłon w zbiorniku może powodować problemy. W przypadku emulsji HFB dwoma głównymi problemami są rozdzielenie faz i wzrost bakterii.

Oddzielenie faz

Emulsje HFB nie są przeznaczone do pracy w niskich temperaturach. Przy 32 °F (0 °C) zaczyna się tworzyć lód; przy około −10 °F (−23,3 °C) emulsja zamarza całkowicie. Cykle zamrażania i rozmrażania powodują rozdzielenie się dwóch faz: w temperaturze zamarzania wody (32 °F / 0 °C) część kropelek wody w emulsji staje się kryształkami lodu. Gdy układ się ogrzewa i lód topnieje, emulsja nie musi się ponownie uformować — w tym momencie ciecz czyni komponenty bardziej podatnymi na korozję i przestaje być dobrym środkiem smarnym.

Powtarzające się cykle zamrażania i rozmrażania powodują trwałe rozdzielenie się fazy wodnej i olejowej. Po rozdzieleniu przywrócenie obu faz do stanu emulsji jest bardzo trudne, a nawet niemożliwe, a odporność na płomienie staje się poważnym problemem.

Sprawdzanie rozdzielenia faz

Wizualna kontrola służy do sprawdzenia, czy emulsja uległa rozdzieleniu fazowemu. Trudno stwierdzić w zbiorniku, czy doszło do rozdzielenia obu faz — należy pobrać próbkę oleju, przelać ją do butelki o szerokiej szyjce i pozostawić na chwilę w spoczynku. Wówczas wolna woda osadzi się na dnie butelki.

Jeśli podejrzewasz, że rozdział fazowy jest silny, skontaktuj się z dostawcą płynu — może on zalecić wymianę płynu.

Wzrost bakterii

W odpowiednich warunkach temperaturowych bakterie mogą rozwijać się w emulsji HFB. Duża liczba bakterii może zablokować otwory zaworów sterujących przepływem oraz elementy filtrów — wszystkie te zjawiska czynią układ niezawodnym i powodują jego niewłaściwe działanie.

Wiele emulsji HFB zawiera dodatki bakteriostatyczne zapobiegające temu zjawisku.

Sprawdzanie obecności wzrostu bakterii

Wzrost bakterii w emulsji HFB można wykryć wizualnie oraz poprzez zapach. Jeśli bakterie rozwinęły się w płynie, filtr wejściowy wygląda tak, jakby był pokryty lepkim śluzem, a płyn wydziela nieprzyjemny zapach.

Jeśli w emulsji występuje wzrost bakterii, prawdopodobnie konieczna będzie wymiana płynu.

Woda-glikol (HFC)

Woda-glikol to inny typ opartego na wodzie, odpornego na zapłon płynu. Składa się z wody i glikolu (glikolu etylenowego), a jego struktura chemiczna jest bardzo podobna do chłodnicy samochodowej.

Woda-glikol ma zwykle barwę czerwoną lub różową. Zazwyczaj zawiera 60% glikolu i 40% wody, a do zwiększenia lepkości dodaje się chemiczne środki zagęszczające. Ponieważ glikol rozpuszcza się w wodzie, płyn ten jest jednofazowy — w przeciwieństwie do emulsji, pod mikroskopem nie obserwuje się w nim oddzielnych kropelek wody i glikolu. Woda-glikol dobrze sprawdza się w niskich temperaturach.

Porównanie emulsji HFB i wody-glikolu

Porównując emulsję HFB i wodę-glikol, stwierdzamy:

1. Stabilność emulsji HFB jest niższa niż stabilność roztworu wody-glikolu.
2. Stabilna emulsja HFB zapewnia lepsze smarowanie.
3. Emulsja HFB jest tańsza.
4. Woda-glikol charakteryzuje się lepszą odpornością na zapłon.
5. Roztwór wody z glikolem działa lepiej w niskich temperaturach.

Problemy z olejami hydraulicznymi na bazie wody

Zastosowanie niepalnych płynów hydraulicznych na bazie wody w zbiorniku hydraulicznym wiąże się z pewnymi problemami. Dwa główne problemy związane z emulsją HFB to skrócenie czasu eksploatacji komponentów oraz parowanie wody.

Smarowanie za pomocą płynów hydraulicznych na bazie wody

Ponieważ niepalne płyny hydrauliczne na bazie wody zawierają dużą proporcję wody w celu zapewnienia odporności na ogień, ich właściwości smarujące są znacznie niższe niż oleju mineralnego — jest to wrodzona wada tych płynów.

Chociaż dodaje się do nich środki poprawiające właściwości smarujące oraz środki oleiste, nadal skracają one czas eksploatacji komponentów w użytkowaniu. Ze względu na ten niekorzystny wpływ niepalne płyny hydrauliczne na bazie wody stosuje się zazwyczaj wyłącznie w układach pracujących przy ciśnieniu nie przekraczającym 1800 psi (124 bar).

Spośród płynów HFA, emulsji HFB i roztworu wody z glikolem najbardziej stabilna emulsja HFB charakteryzuje się najlepszymi właściwościami smarującymi, następnie roztwór wody z glikolem, a na końcu płyn HFA.

Tabela 4-1: Względne czynniki redukcji smarowania dla niepalnych płynów wodnych w porównaniu z olejem petroleumowym. Wyższa wartość czynnika oznacza większe zużycie komponentów.

Wyparowanie wody

Wielu producentów płynów zaleca, aby maksymalna temperatura robocza płynów hydraulicznych na bazie wody wynosiła 140 °F (60 °C), a najlepiej utrzymywać ją poniżej 120 °F (49 °C). Powyżej 140 °F (60 °C) może dochodzić do nadmiernego parowania wody.

Gdy woda odparowuje z płynu wodnego, następuje kilka niepożądanych zjawisk. Para wodna uchodząca z cieczy skrapla się na niechronionych powierzchniach żelaznych komponentów i powoduje korozję. Po pewnym czasie rdza odspaja się i staje się źródłem zanieczyszczenia w całym układzie.

Płyny wodne zawierają zazwyczaj inhibitory korozji, jednak każda niechroniona powierzchnia metalowa, która nie jest zanurzona w płynie, ulega atakowi pary wodnej powstającej podczas parowania.

Odporność na ogień płynów wodnych zależy od zawartości wody, dlatego parowanie wody zmniejsza odporność na ogień. Parowanie wpływa również na lepkość — w płynach woda-glikol utrata wody zwiększa lepkość; w emulsji HFB utrata wody obniża lepkość i może spowodować niestabilność emulsji. Aby zapewnić optymalną odporność na ogień oraz odpowiednią lepkość, zawartość wody w wodnych płynach odpornych na ogień należy regularnie kontrolować i utrzymywać w wąskim zakresie stężenia.

Rysunek 4-11: Parowanie wody z płynów wodnych. Parowanie zmniejsza odporność na ogień, zmienia lepkość oraz umożliwia skraplanie się pary na powierzchniach metalowych, co prowadzi do korozji.

Syntetyczny olej hydrauliczny odporny na ogień (HFDR)

Syntetyczny olej hydrauliczny odporny na ogień to sztucznie wytwarzany olej charakteryzujący się wysoką odpornością na ogień, przy czym jego właściwości smarujące są zbliżone do właściwości oleju naftowego. Najczęściej stosowanym syntetycznym olejem odpornym na ogień jest ester fosforanowy.

Uwaga: Sztuczne płonącoodporne płyny nie mogą być mieszane z żywicami krzemionkowymi, estrami krzemianów, estrami kwasów dibazowych, związkami estrów polioli, polieterami ani innymi płynami syntetycznymi. Te związki syntetyczne mogą posiadać konkretne właściwości wymagane w niektórych zastosowaniach, ale ogólnie nie są uznawane za płonącoodporne.

Płyn na bazie estrów fosforanów dobrze sprawdza się przy wysokim ciśnieniu i charakteryzuje się doskonałą odpornością na płomienie, jednak jest drogi. W układach wysokociśnieniowych, w których wymagana jest odporność na płomienie, ze względu na koszt estrów fosforanów można stosować mieszaninę estrów fosforanów i oleju mineralnego. Ta mieszanka zapewnia niezbędną smarowność układu, lecz jej odporność na płomienie nie jest tak dobra jak u czystych estrów fosforanów.

Porównanie płonącoodpornych płynów wodnych i syntetycznych

Przy porównywaniu płonącoodpornych płynów wodnych i syntetycznych:

6. Płyny syntetyczne zapewniają lepszą smarowność i mogą pracować przy wyższym ciśnieniu.
7. Płyny syntetyczne są droższe.
8. Płyny syntetyczne charakteryzują się lepszą odpornością na płomienie.
9. Płyn fosforanowy ma temperaturę zapłonu wynoszącą około 455°F (235°C), temperaturę płomienia około 665°F (352°C) oraz temperaturę samozapłonu około 1150°F (621°C).

Płyny wodne nie wykazują odporności na ogień poprzez temperaturę zapłonu i temperaturę płomienia — ponieważ zawierają wodę. Temperatura samozapłonu glikolu wodnego wynosi około 1100°F (593°C); w przypadku emulsji HFB temperatura samozapłonu wynosi około 825°F (440,6°C).

Rysunek 4-14: Cztery typy płynów odpornych na ogień oraz ich beczki do przechowywania. Od lewej: syntetyczny (fosforanowy), mieszanka fosforanu z olejem, emulsja HFB oraz glikol wodny.

Problemy związane z użytkowaniem płynów odpornych na ogień

Stosowanie płynów odpornych na ogień w układach hydraulicznych wiąże się z określonymi problemami, w tym: zgodnością z uszczelkami i powłokami ochronnymi, tworzeniem piany i zatrzymywaniem powietrza oraz sedymentacją.

Zgodność płynów odpornych na ogień

Najczęstszym materiałem uszczelnień dynamicznych w układach olejowych naftowych jest kauczuk akrylonitrylowo-butadienowy (Buna-N). Materiał ten jest również zgodny z emulsją HFB oraz glikolem wodnym. Gdy układ przechodzi z oleju naftowego na emulsję HFB lub glikol wodny, istniejące uszczelki wykonane z kauczuku akrylonitrylowo-butadienowego nie wymagają wymiany. Jednak przy przejściu na ciecz syntetyczną, taką jak estr fosforanowy, wymiana uszczelek jest konieczna.

Przy przełączaniu się z oleju naftowego na wodną ciecz hydrauliczną mogą wystąpić problemy z powłokami ochronnymi. Jeśli wnętrze zbiornika jest chronione powłoką lub farbą zgodną z olejem naftowym, wodna ciecz hydrauliczna może rozpuścić te powłoki.

Roztwory wody i glikolu oraz niektóre stężone substancje chemiczne są niezgodne z niektórymi metalami. Mogą one korozyjnie działać na cynk, kadm, magnez oraz niektóre stopy glinu, powodując powstawanie lepkiego żużlu, który zatyka otwory zaworów i filtry oraz może prowadzić do zakleszczenia tłoczyska zaworu. Dlatego zaleca się, aby elementy zawierające te metale lub pokryte warstwą tych metali nie były stosowane w połączeniu z roztworami wody i glikolu. Takie elementy mogą obejmować rury pokryte warstwą elektrolityczną, siatki filtrów pokryte cynkiem lub kadmem, kształtki rurowe oraz akcesoria zbiorników.

Powszechnie stosowany materiał uszczelniający z kauczuku nitrilowego (NBR), używany w układach oleju mineralnego do uszczelnień dynamicznych, nie jest zgodny z esterami fosforowymi ani ich mieszankami — te płyny wymagają zastosowania fluoroelastomeru (Viton), gumy opartej na epoksydzie lub innych zgodnych materiałów uszczelniających.

Sztuczne płyny ognioodporne mogą rozpuszczać farby i lakiery zgodne z olejem mineralnym, ale nie korodują powszechnie stosowanych metali w układach hydraulicznych.

Pianowanie i zatrzymywanie powietrza w płynach ognioodpornych

W porównaniu z olejem petroleumowym wodne i syntetyczne płyny o właściwościach zapobiegających pożarom są bardziej podatne na zatrzymywanie powietrza i pianienie. Po powrocie roboczej cieczy do zbiornika płyn zapobiegający pożarom wymaga dłuższego czasu przebywania w zbiorniku, aby uwolnić wszystkie gromadzące się pęcherzyki powietrza.

Dlatego systemy wykorzystujące płyny zapobiegające pożarom powinny być wyposażone w większe zbiorniki niż systemy korzystające z oleju petroleumowego.

osad w płynach zapobiegających pożarom

Gdy płyn zapobiegający pożarom powraca do zbiornika, w porównaniu z olejem petroleumowym łatwiej zatrzymuje on unoszące się zanieczyszczenia. Ciecz powinna umożliwiać osiadanie wszelkich zanieczyszczeń o odpowiedniej wielkości na dnie zbiornika, jednak w przypadku płynów zapobiegających pożarom zanieczyszczenia osiadają mniej łatwo.

Dlatego przy stosowaniu w systemie hydraulicznym płynu zapobiegającego pożarom pierwszym krokiem powinno być wprowadzenie skutecznych środków filtracji cieczy, a nie należy pomijać również filtrów magnetycznych.

Wskazówki konserwacyjne

Przechowywanie

Przechowywanie odpornego na ogień płynu hydraulicznego jest zasadniczo takie samo jak w przypadku oleju petroleumowego — beczki powinny być przechowywane na boku, aby woda nie gromadziła się na górze i nie przedostawała się do środka.

W przypadku emulsji HFB istnieje dodatkowe wymaganie dotyczące przechowywania: ponieważ powtarzające się cykle zamrażania i rozmrażania wpływają na jej stabilność, należy starannie zapobiegać jej zamarzaniu podczas przechowywania.

Przepompowywanie płynu z beczki do zbiornika

Przepompowywanie płynu ze skrzyni magazynowej do zbiornika to kolejny ważny etap. Przed usunięciem korka z beczki należy oczyścić pokrywę beczki oraz przygotować cały sprzęt i narzędzia potrzebne do procesu przepompowywania: elastyczny wąż, pompę przelewową, lejek, filtr do napełniania zbiornika oraz ręce operatora. Należy sprawdzić, czy nazwa handlowa i lepkość płynu w beczce są poprawne.

Jeśli do przemieszczania odpornego na ogień płynu hydraulicznego stosowana jest pompa przelewowa, należy upewnić się, że w pompie nie pozostaje żaden pozostały płyn innego typu oraz że materiały, z których wykonano pompę i jej elementy połączeniowe, są zgodne z tym płynem.

Po napełnieniu zbiornika płynem odpornym na zapłon należy go utrzymywać i monitorować w ustalonych odstępach czasu. Konserwacja oleju obejmuje: uzupełnianie poziomu do minimalnego, usuwanie wycieków oraz wymianę elementów filtrujących.

Zawartość wody w oleju hydraulicznym na bazie wodnej powinna być regularnie kontrolowana — stężenie wody musi być utrzymywane w bardzo wąskim zakresie; w przeciwnym razie ulegną zmianie lepkość oraz odporność na zapłon.

Ogólnie nie zaleca się dodawania wody do emulsji HFB, ponieważ wymaga to ponownego procesu emulgowania. Dodawanie wody do roztworu glikolowo-wodnego jest powszechne, jednak nie powinno się tego dokonywać poprzez bezpośrednie wprowadzanie wody z ogrodowego węża do zbiornika. Woda uzupełniająca nie powinna zawierać osadów mineralnych, które mogłyby skażać układ. Do roztworów glikolowo-wodnych nadaje się woda destylowana lub zdezjonizowana; ilość dodawanej wody powinna zostać określona na podstawie analizy laboratoryjnej próbki oleju.

* HFA rzadko stosuje się w układach wysokociśnieniowych ze względu na bardzo słabe smarowanie; ograniczenie ciśnienia wynika raczej z praktycznych niż technicznych przesłanek.