O óleo à base de petróleo é um excelente lubrificante; portanto, os sistemas que o utilizam como meio de transmissão de energia podem esperar uma vida útil longa e confiável. No entanto, em muitos sistemas e aplicações, o óleo à base de petróleo apresenta uma desvantagem significativa: sob pressão, o óleo pode ser expelido por vazamentos e gerar uma névoa (pulverização de óleo). Essa névoa tornou-se a causa de diversos incêndios industriais.

Normalmente, ao utilizarmos óleo à base de petróleo, o risco de incêndio não é muito elevado — pois o óleo mineral não inflama facilmente à temperatura ambiente e possui uma capacidade de extinção de chamas semelhante à de um fósforo de madeira. Contudo, quando tubulações de alta pressão desenvolvem pequenos vazamentos, o óleo é expelido na forma de uma névoa fina. A névoa é uma mistura altamente inflamável, capaz de ser facilmente inflamada — esse tipo de vazamento pode ser comparado a um injetor de combustível.

Em ambientes industriais com risco de incêndio, a primeira preocupação é a segurança dos trabalhadores e a capacidade de manter a produção sem incêndios acidentais. Se o ambiente puder gerar fontes acidentais de ignição, são necessários fluidos hidráulicos resistentes ao fogo. O uso desses fluidos aumenta os custos operacionais (fluidos resistentes ao fogo são mais caros do que óleo mineral) e reduz a vida útil dos componentes.

O objetivo deste capítulo é identificar os fluidos hidráulicos resistentes ao fogo comumente utilizados em sistemas hidráulicos, discutir alguns problemas relacionados ao seu uso e fornecer diretrizes de manutenção.

Determinação da Resistência ao Fogo

Os fluidos resistentes ao fogo não são à prova de fogo — como o nome sugere, são simplesmente difíceis de inflamar. Se um fluido resistente ao fogo for aquecido a uma temperatura suficientemente elevada, ele acabará por se inflamar.

A resistência ao fogo de um fluido específico é determinada por três medições técnicas: ponto de fulgor, ponto de combustão e temperatura de ignição espontânea. O fluido de referência nas três descrições de ensaio a seguir é o óleo hidráulico à base de petróleo.

Ponto de Ignição

O ponto de fulgor de um fluido é a temperatura à qual ele deve ser aquecido para liberar, de sua superfície, quantidade suficiente de vapor capaz de inflamar-se quando uma chama é aplicada. Para o óleo hidráulico à base de petróleo, se aquecido a 350–450 °F (176,6–232,2 °C), libera quantidade suficiente de vapor para inflamar-se ao contato com uma chama. Contudo, assim que a chama é removida, a queima cessa.

Ponto de combustão

O ponto de combustão é a temperatura à qual o óleo deve ser aquecido para continuar queimando após a remoção da chama de ensaio. Acima dessa temperatura, é liberada, da superfície do óleo, quantidade suficiente de vapor para que, uma vez inflamado, o óleo continue queimando por conta própria, mesmo após a retirada da fonte de chama.

Temperatura de autoignição

A temperatura de ignição espontânea (TIE) é a temperatura na qual o óleo entra em combustão por si só, sem chama ou faísca externa. Para óleos hidráulicos à base de petróleo, se aquecidos a 500–700 °F (260–371 °C), inflamam-se espontaneamente.

Os fluidos classificados como resistentes ao fogo possuem pontos de fulgor, pontos de combustão e temperaturas de ignição espontânea mais elevados do que os óleos à base de petróleo.

Tipos de Fluidos Hidráulicos Resistentes ao Fogo

Os fluidos resistentes ao fogo podem ser divididos em duas grandes categorias: à base de água e sintéticos.

Fluidos hidráulicos à base de água

O primeiro meio de trabalho hidráulico foi a água. A água apresenta algumas desvantagens (especialmente quanto à lubrificação), mas é não inflamável; portanto, a abordagem inicial, quando se exigia resistência ao fogo, consistia simplesmente em voltar a utilizar água. Contudo, como é necessária alguma lubrificação, óleo e água foram emulsionados juntos.

Emulsão de Água em Óleo (Emulsão A/O)

Este é um fluido resistente ao fogo à base de água, composto por água e óleo. Não se trata de uma solução — óleo e água não se dissolvem um no outro. Neste fluido, o óleo é disperso em gotículas extremamente finas por meio de um emulsificante químico e distribuído uniformemente por todo o meio aquoso, o que melhora sua qualidade lubrificante. Quando este fluido entra em contato com uma chama, a água se transforma em vapor e abafa o fogo.

Este fluido bifásico água/óleo é denominado emulsão. Durante o período em que esse tipo de fluido era amplamente utilizado, a proporção típica era de 60% de água para 40% de óleo, com a água como fase contínua e o óleo como gotículas dispersas.

Fluido de Alta Base Aquosa (HFA)

Este é um fluido resistente ao fogo no qual a água é o principal componente. Atualmente, exceto em sistemas onde grandes quantidades de fluido de trabalho são perdidas devido a vazamentos, esse tipo é raramente utilizado em sistemas hidráulicos — os sistemas que o utilizam trocam uma vida útil reduzida dos componentes por alguma vantagem econômica, pois ele é relativamente barato (a água representa pelo menos 90% do conteúdo).

Uma emulsão feita com 1–10% de óleo é denominada fluido à base de alta concentração de água (solução óleo-em-água). Se alguém afirmar que seu sistema utiliza uma "solução a 5% de óleo", isso significa 95% de água e 5% de óleo, ou seja, uma concentração química de 95:5.

Emulsão Óleo-em-Água (HFB)

As emulsões modernas água/óleo utilizadas em sistemas hidráulicos são fluidos esbranquiçados, compostos por 60% de óleo e 40% de água — a proporção é invertida em comparação com o tipo HFA anterior (60% de água para 40% de óleo). Como o componente principal desse fluido é o óleo, com a água como fase dispersa, a emulsão HFB apresenta melhor lubrificação do que a HFA, embora sua resistência ao fogo seja ligeiramente reduzida.

viscosidade das emulsões água/óleo

Como o óleo mineral, a viscosidade é uma propriedade importante das emulsões água/óleo. Como o fluido HFA contém pelo menos 90% de água, sua viscosidade equivale essencialmente à da água — tornando-o um lubrificante relativamente pobre.

Por outro lado, embora a emulsão HFB seja composta por cerca de 60% de óleo, isso não significa que sua viscosidade seja igual à do óleo base. Devido ao efeito de cisalhamento entre as duas fases, a emulsão HFB apresenta uma viscosidade inferior à esperada. Para garantir uma lubrificação adequada dos componentes do sistema, a emulsão HFB utilizada deve ter uma viscosidade superior à do óleo mineral normalmente empregado no sistema. Por exemplo, se um sistema utiliza óleo mineral com viscosidade de 150 SUS (32 cSt) a 100 °F (37,7 °C), a emulsão HFB deve ter uma viscosidade de 375 SUS (80,9 cSt) a 100 °F (37,7 °C).

Quando o fluido de trabalho passa pela bomba hidráulica e pelo sistema, o efeito de cisalhamento entre as duas fases faz com que a emulsão HFB apresente uma queda de viscosidade. Para garantir que os componentes sejam adequadamente lubrificados, a viscosidade da emulsão HFB deve ser superior à viscosidade do óleo mineral normal para esse sistema.

Problemas com emulsões óleo-em-água

O armazenamento de fluidos resistentes ao fogo à base de água em um reservatório pode causar problemas. Para a emulsão HFB, os dois principais problemas são a separação de fases e o crescimento bacteriano.

Separação de Fases

As emulsões HFB não são projetadas para operação em baixas temperaturas. A 32 °F (0 °C), começa a se formar gelo; a aproximadamente -10 °F (-23,3 °C), a emulsão congela totalmente. Ciclos de congelamento e descongelamento provocam a separação das duas fases: no ponto de congelamento da água (32 °F / 0 °C), algumas das gotículas de água na emulsão solidificam-se em cristais de gelo. À medida que o sistema aquece e o gelo derrete, a emulsão não necessariamente se reconstitui — nesse momento, o fluido torna os componentes mais suscetíveis à corrosão e deixa de ser um bom lubrificante.

Ciclos repetidos de congelamento e descongelamento causam a separação permanente das fases aquosa e oleosa. Uma vez separadas, é muito difícil, senão impossível, restabelecer o estado emulsionado das duas fases, e a resistência ao fogo torna-se uma preocupação séria.

Verificação da separação de fases

A inspeção visual é utilizada para verificar se a emulsão sofreu separação de fases. É difícil identificar no reservatório se as duas fases se separaram — retire uma amostra do óleo, despeje-a em um frasco de boca larga e deixe repousar por algum tempo. Você observará qualquer água livre sedimentando no fundo do frasco.

Se você suspeitar que a separação de fases é grave, entre em contato com o fornecedor do fluido — ele poderá recomendar a substituição do fluido.

Crescimento Bacteriano

Em condições adequadas de temperatura, bactérias podem proliferar na emulsão HFB. Grandes quantidades de bactérias podem obstruir orifícios de válvulas de controle de fluxo e elementos filtrantes — todos esses efeitos tornam o sistema pouco confiável e causam seu mau funcionamento.

Muitas emulsões HFB contêm aditivos bacteriostáticos para prevenir esse problema.

Verificação da proliferação bacteriana

A proliferação bacteriana na emulsão HFB pode ser detectada visualmente e pelo odor. Se as bactérias tiverem se desenvolvido no fluido, o filtro de entrada apresentará aparência de revestido por uma camada viscosa e o fluido emitirá um cheiro fétido.

Se houver crescimento bacteriano na emulsão, o fluido provavelmente precisará ser substituído.

Glicol-Água (HFC)

O glicol-água é outro tipo de fluido à base de água resistente ao fogo. É composto por água e glicol (glicol etilênico), e sua estrutura química é muito semelhante ao anticongelante automotivo.

O glicol-água é normalmente vermelho ou rosa. Geralmente contém 60% de glicol e 40% de água, com agentes químicos espessantes adicionados para aumentar a viscosidade. Como o glicol se dissolve efetivamente na água, esse fluido é monofásico — ao contrário das emulsões, não contém gotículas separadas de água e glicol quando observado ao microscópio. O glicol-água funciona bem em temperaturas baixas.

Comparação entre emulsão HFB e glicol-água

Ao comparar a emulsão HFB e o glicol-água, observamos:

1. A estabilidade da emulsão HFB é inferior à da solução de glicol-água.
2. Uma emulsão HFB estável apresenta melhor lubrificação.
3. A emulsão HFB é mais barata.
4. O glicol-água possui melhor resistência ao fogo.
5. A mistura água-glicol funciona melhor em temperaturas baixas.

Problemas com fluidos hidráulicos à base de água

O uso de fluido hidráulico resistente ao fogo à base de água em um reservatório hidráulico gera alguns problemas. Dois principais problemas da emulsão HFB são a redução da vida útil dos componentes e a evaporação da água.

Lubrificação com fluido à base de água

Como os fluidos hidráulicos resistentes ao fogo à base de água contêm uma grande proporção de água para atingir a resistência ao fogo, sua capacidade lubrificante é muito inferior à do óleo mineral — trata-se de uma limitação inerente.

Embora aditivos lubrificantes e aditivos de oleosidade sejam incluídos, eles ainda reduzem a vida útil dos componentes em operação. Devido a esse efeito adverso, os fluidos hidráulicos resistentes ao fogo à base de água geralmente não são utilizados em sistemas que operam acima de 1.800 psi (124 bar).

Entre o fluido HFA, a emulsão HFB e a mistura água-glicol, a emulsão estável HFB apresenta a melhor lubrificação; seguida pela mistura água-glicol e, em seguida, pelo HFA.

Tabela 4-1: Fatores relativos de redução da lubrificação para fluidos resistentes ao fogo à base de água em comparação com óleo mineral. Um fator mais elevado indica maior desgaste dos componentes.

Evaporação de água

Muitos fabricantes de fluidos recomendam que a temperatura máxima de operação para fluidos hidráulicos à base de água seja de 140 °F (60 °C) e, idealmente, mantida abaixo de 120 °F (49 °C). Acima de 140 °F (60 °C), pode ocorrer evaporação excessiva de água.

Quando a água evapora do fluido à base de água, ocorrem diversos efeitos indesejáveis. O vapor d’água que escapa do líquido condensa-se nas superfícies de componentes de ferro não protegidas, causando corrosão. Após um certo período, essa corrosão descasca-se e torna-se uma fonte de contaminação em todo o sistema.

Os fluidos à base de água contêm, em geral, inibidores de corrosão, mas qualquer superfície metálica não protegida e não imersa no fluido será atacada pelo vapor gerado pela evaporação.

A resistência ao fogo de fluidos à base de água depende do teor de água, de modo que a evaporação da água reduz a resistência ao fogo. A evaporação também afeta a viscosidade — em glicol aquoso, a perda de água aumenta a viscosidade; em emulsões HFB, a perda de água diminui a viscosidade e pode tornar a emulsão instável. Para manter a resistência ao fogo ideal e uma viscosidade adequada, o teor de água dos fluidos hidráulicos resistentes ao fogo à base de água deve ser verificado regularmente e mantido dentro de uma faixa estreita de concentração.

Figura 4-11: Evaporação da água de fluidos à base de água. A evaporação reduz a resistência ao fogo, altera a viscosidade e permite que o vapor se condense nas superfícies metálicas, causando corrosão.

Fluido Hidráulico Sintético Resistente ao Fogo (HFDR)

O fluido hidráulico sintético resistente ao fogo é um óleo fabricado artificialmente, conhecido por sua elevada resistência ao fogo, enquanto sua lubrificação é semelhante à do óleo mineral. O fluido sintético resistente ao fogo mais comumente utilizado é o éster fosfato.

Observação: O fluido sintético resistente ao fogo não deve ser misturado com resinas de silicone, ésteres de silicato, ésteres de ácidos dibásicos, compostos de ésteres de polióis, poliéteres ou outros fluidos sintéticos. Esses compostos sintéticos podem apresentar propriedades específicas necessárias para determinadas aplicações, mas, em geral, não são considerados resistentes ao fogo.

O fluido de éster fosfórico funciona bem em alta pressão e possui excelente resistência ao fogo, mas é caro. Em sistemas de alta pressão com requisitos de resistência ao fogo, devido ao custo do éster fosfórico, pode-se utilizar uma mistura de éster fosfórico e óleo mineral. Essa mistura oferece a lubrificação necessária ao sistema, mas sua resistência ao fogo não é tão boa quanto a do éster fosfórico puro.

Comparação entre fluidos resistentes ao fogo à base de água e sintéticos

Ao comparar fluidos resistentes ao fogo à base de água e sintéticos:

6. Os fluidos sintéticos possuem melhor lubrificação e podem operar em pressões mais elevadas.
7. Os fluidos sintéticos são mais caros.
8. Os fluidos sintéticos possuem melhor resistência ao fogo.
9. O fluido de éster fosfato tem um ponto de fulgor de cerca de 455 °F (235 °C), ponto de ignição de cerca de 665 °F (352 °C) e temperatura de autoignição de cerca de 1.150 °F (621 °C).

Os fluidos à base de água não apresentam resistência ao fogo por meio do ponto de fulgor e do ponto de ignição — pois esses fluidos contêm água. A temperatura de autoignição do glicol aquoso é de cerca de 1.100 °F (593 °C); para a emulsão HFB, a temperatura de autoignição é de cerca de 825 °F (440,6 °C).

Figura 4-14: Quatro tipos de fluidos resistentes ao fogo e seus tambores de armazenamento. Da esquerda para a direita: sintético (éster fosfato), mistura de éster fosfato com óleo, emulsão HFB e glicol aquoso.

Problemas com Fluidos Hidráulicos Resistentes ao Fogo

A utilização de fluidos resistentes ao fogo em sistemas hidráulicos gera certos problemas, incluindo: compatibilidade com vedação e revestimentos protetores, formação de espuma e retenção de ar, bem como sedimentação.

Compatibilidade de fluidos resistentes ao fogo

O material mais comum para vedação dinâmica em sistemas de óleo mineral é a borracha nitrílica (Buna-N). Esse material também é compatível com emulsão HFB e glicol-água. Quando um sistema é convertido de óleo mineral para emulsão HFB ou glicol-água, se as vedações existentes forem de borracha nitrílica, não será necessário substituí-las. No entanto, caso haja conversão para um fluido sintético, como éster fosfato, será obrigatória a substituição das vedações.

Ao converter de óleo mineral para um fluido hidráulico à base de água, podem ocorrer problemas com revestimentos protetores. Se o interior do reservatório estiver protegido por um revestimento ou tinta compatível com óleo mineral, o fluido à base de água poderá dissolver esses revestimentos.

Água-glicol e alguns concentrados químicos são incompatíveis com certos metais. Podem corroer zinco, cádmio, magnésio e algumas ligas de alumínio, produzindo uma escória adesiva que obstrui orifícios de válvulas e filtros e pode causar emperramento do êmbolo da válvula. Recomenda-se, portanto, que componentes contendo esses metais ou revestidos com esses metais não sejam utilizados com água-glicol. Tais componentes podem incluir tubos galvanizados, telas filtrantes revestidas com zinco ou cádmio, conexões de tubulação e acessórios do reservatório.

O material comum de vedação em borracha nitrílica, utilizado em vedação dinâmica em sistemas com óleo mineral, não é compatível com ésteres fosfatados ou misturas à base de ésteres fosfatados — esses fluidos exigem elastômeros fluorados (Viton), borrachas à base de epóxi ou outros materiais de vedação compatíveis.

Fluidos sintéticos resistentes ao fogo podem dissolver tintas e vernizes compatíveis com óleo mineral, mas não corroem os metais comuns presentes em um sistema hidráulico.

Espuma e retenção de ar em fluidos resistentes ao fogo

Em comparação com o óleo mineral, os fluidos resistentes ao fogo à base de água e sintéticos são mais propensos a reter ar e espumar. Após o fluido de trabalho retornar ao reservatório, o fluido resistente ao fogo necessita de mais tempo no reservatório para liberar todas as bolhas de ar acumuladas.

Portanto, os sistemas que utilizam fluidos resistentes ao fogo devem ter um reservatório maior do que os sistemas que utilizam óleo mineral.

sedimentação em fluidos resistentes ao fogo

Quando o fluido resistente ao fogo retorna ao reservatório, ele retém contaminantes flutuantes com mais facilidade do que o óleo mineral. O fluido deve permitir que quaisquer contaminantes de tamanho adequado se depositem no fundo do reservatório, mas, nos fluidos resistentes ao fogo, os contaminantes não se sedimentam tão facilmente.

Portanto, ao utilizar um fluido hidráulico resistente ao fogo, a primeira medida a ser considerada é a adoção de boas práticas de filtração do fluido, não devendo-se negligenciar filtros magnéticos.

Diretrizes de Manutenção

Armazenamento

O armazenamento de fluido hidráulico resistente ao fogo é essencialmente o mesmo que o do óleo mineral — os tambores devem ser armazenados deitados, para que a água não se acumule na parte superior e infiltre-se.

Para a emulsão HFB, há um requisito adicional de armazenamento: como ciclos repetidos de congelamento e descongelamento afetam sua estabilidade, ela deve ser cuidadosamente protegida contra o congelamento durante o armazenamento.

Transferência de fluido do tambor para o reservatório

A transferência de fluido dos tambores de armazenamento para o reservatório é outra etapa importante. Antes de remover a tampa do tambor, limpe a tampa do tambor e prepare todos os equipamentos e ferramentas necessários para o processo de transferência: mangueira flexível, bomba de transferência, funil, filtro de enchimento do reservatório e as mãos do operador. Verifique se a marca e a viscosidade do fluido no tambor estão corretas.

Se for utilizada uma bomba de transferência para movimentar o fluido resistente ao fogo, certifique-se de que não haja resíduo de outro tipo de fluido na bomba e de que os materiais da bomba e seus acessórios sejam compatíveis com o fluido.

Após o fluido resistente ao fogo ser colocado no reservatório, ele deve ser mantido e monitorado em intervalos especificados. A manutenção do óleo inclui: reabastecimento até o nível mínimo, tratamento de vazamentos e substituição dos elementos filtrantes.

O fluido hidráulico à base de água deve ser verificado regularmente quanto ao teor de água — a concentração deve ser mantida dentro de uma faixa muito estreita; caso contrário, a viscosidade e a resistência ao fogo serão afetadas.

Geralmente, não é recomendado adicionar água a uma emulsão HFB, pois isso exige um novo processo de emulsificação. A adição de água a uma solução de glicol-água é comum, mas não deve ser feita simplesmente conectando uma mangueira de jardim ao reservatório. A água de reabastecimento não deve conter depósitos minerais que possam contaminar o sistema. Água destilada ou desionizada é adequada para soluções de glicol-água; a quantidade a ser adicionada deve ser determinada por análise laboratorial da amostra de óleo.

* HFA é raramente utilizado em sistemas de alta pressão devido à lubrificação muito pobre; o limite de pressão é mais uma restrição prática do que técnica.