Uleiul pe bază de petrol este un lubrifiant excelent, astfel încât sistemele care îl folosesc ca mediu de transmitere a energiei pot beneficia de o durată de viață lungă și fiabilă. Totuși, în multe sisteme și aplicații, uleiul pe bază de petrol are un dezavantaj semnificativ: sub presiune, uleiul poate stropi prin scurgeri și poate forma o ceață (stropire de ulei). Această ceață a devenit cauza multor incendii industriale.

În mod obișnuit, utilizarea uleiului pe bază de petrol nu implică un risc ridicat de incendiu — deoarece uleiul mineral nu se aprinde ușor la temperatura camerei și are o capacitate de stingere a flăcării asemănătoare celei a unei chibrituri de lemn. Totuși, atunci când liniile aflate la presiune ridicată dezvoltă scurgeri mici, uleiul este expulzat sub formă de ceață fină. Ceața este un amestec extrem de inflamabil, care poate fi ușor aprins — acest tip de scurgere poate fi comparat cu un injector de combustibil.

În mediile industriale cu risc de incendiu, prima preocupare este siguranța lucrătorilor și capacitatea de a menține producția fără incendii accidentale. Dacă mediul poate genera surse accidentale de aprindere, sunt necesare fluide hidraulice rezistente la foc. Utilizarea unor astfel de fluide crește costurile de exploatare (fluidele rezistente la foc sunt mai scumpe decât uleiul mineral) și reduce durata de funcționare a componentelor.

Scopul acestui capitol este de a identifica fluidele hidraulice rezistente la foc utilizate în mod obișnuit în sistemele hidraulice, de a discuta unele probleme legate de utilizarea lor și de a oferi recomandări privind întreținerea.

Determinarea rezistenței la foc

Fluidele rezistente la foc nu sunt ignifuge — așa cum sugerează și denumirea lor, ele sunt pur și simplu greu de aprins. Dacă un fluid rezistent la foc este încălzit la o temperatură suficient de ridicată, va ajunge în cele din urmă să se aprindă.

Rezistența la foc a unui fluid specific este determinată de trei măsurători tehnice: punctul de aprindere, punctul de ardere și temperatura de autoaprindere. Fluidul de referință din următoarele trei descrieri ale testelor este uleiul hidraulic pe bază de petrol.

Punct de inflamare

Punctul de aprindere al unui fluid este temperatura la care trebuie încălzit pentru ca acesta să elibereze suficientă vapori de la suprafața sa pentru a se aprinde în prezența unei flăcări. Pentru uleiul hidraulic pe bază de petrol, dacă este încălzit la 350–450°F (176,6–232,2°C), se eliberează suficienți vapori pentru a se aprinde în prezența unei flăcări. Totuși, odată ce flacăra este îndepărtată, arderea încetează.

Punctul de ardere

Punctul de ardere este temperatura la care uleiul trebuie încălzit astfel încât să continue să ardă după îndepărtarea flăcării de test. Deasupra acestei temperaturi, se eliberează suficienți vapori de la suprafața uleiului, astfel încât, odată aprins, uleiul continuă să ardă singur, chiar și după îndepărtarea sursei de flacără.

Temperatura de auto-înflămare

Temperatura de aprindere spontană (AIT) este temperatura la care uleiul se aprinde spontan, fără o flacără sau o scânteie externă. Pentru uleiul hidraulic pe bază de petrol, dacă este încălzit la 500–700°F (260–371°C), acesta se aprinde spontan.

Lichidele clasificate ca fiind rezistente la foc au puncte de aprindere, puncte de inflamabilitate și temperaturi de aprindere spontană mai ridicate decât uleiul pe bază de petrol.

Tipuri de lichide hidraulice rezistente la foc

Lichidele hidraulice rezistente la foc pot fi împărțite în două categorii majore: pe bază de apă și sintetice.

Lichide hidraulice pe bază de apă

Primul mediu de lucru hidraulic a fost apa. Apa are unele dezavantaje (în special în ceea ce privește lubrifierea), dar este ininflamabilă, astfel încât abordarea inițială, atunci când era necesară rezistența la foc, a constat pur și simplu în revenirea la utilizarea apei. Totuși, deoarece este necesară o anumită lubrifiere, uleiul și apa au fost emulsificate împreună.

Emulsie apă-în-ulei (emulsie A/Î)

Aceasta este un fluid ignifug pe bază de apă, compus din apă și ulei. Nu este o soluție — apa și uleiul nu se dizolvă unul în celălalt. În acest fluid, uleiul este dispersat sub formă de picături extrem de fine cu ajutorul unui emulgator chimic și distribuit uniform în întreaga fază apoasă purtătoare, ceea ce îmbunătățește calitatea sa de lubrifiere. Când acest fluid intră în contact cu o flacără, apa se transformă în abur și stinge focul.

Acest fluid bifazic apă/ulei se numește emulsie. În perioada în care acest tip de fluid a fost utilizat pe scară largă, raportul tipic era de 60 % apă la 40 % ulei, cu apa ca fază principală și uleiul ca picături dispersate.

Fluid cu conținut ridicat de apă (HFA)

Aceasta este o fluid rezistent la foc, în care apa este componenta principală. În prezent, cu excepția sistemelor în care cantități mari de fluid de lucru se pierd datorită scurgerilor, acest tip este rar utilizat în sistemele hidraulice — sistemele care îl folosesc schimbă durata redusă de funcționare a componentelor pentru un anumit avantaj economic, deoarece este relativ ieftin (apa reprezintă cel puțin 90% din compoziție).

O emulsie obținută cu un conținut de ulei între 1–10% se numește fluid pe bază de apă înaltă (soluție de ulei în apă). Dacă cineva spune că sistemul său utilizează „soluția cu 5% ulei”, aceasta înseamnă 95% apă și 5% ulei, sau o concentrație chimică de 95:5.

Emulsie ulei-în-apă (HFB)

Emulsiile moderne ulei/apă utilizate în sistemele hidraulice sunt fluide de culoare alb-mat, compuse din 60% ulei și 40% apă — raportul fiind invers față de tipul anterior HFA (60% apă și 40% ulei). Deoarece componenta principală a acestui fluid este uleiul, iar apa constituie faza dispersată, emulsia HFB oferă o lubrifiere superioară față de HFA, dar rezistența sa la foc este ușor redusă.

vâscozitatea emulsiilor apă/uile

La fel ca uleiul petrolier, vâscozitatea este o proprietate importantă a emulsiilor apă/uile. Deoarece fluidul HFA conține cel puțin 90% apă, vâscozitatea sa este esențialmente aceea a apei — ceea ce îl face un lubrifiant relativ slab.

Pe de altă parte, deși emulsia HFB este compusă din aproximativ 60% ulei, acest lucru nu înseamnă că vâscozitatea sa este egală cu vâscozitatea uleiului de bază. Datorită efectului de forfecare dintre cele două faze, emulsia HFB prezintă o vâscozitate mai mică decât cea așteptată. Pentru a asigura o lubrifiere adecvată a componentelor sistemului, emulsia HFB utilizată trebuie să aibă o vâscozitate mai mare decât cea a uleiului petrolier obișnuit folosit în sistem. De exemplu, dacă un sistem utilizează ulei petrolier de 150 SUS (32 cSt) la 100°F (37,7°C), emulsia HFB trebuie să aibă o vâscozitate de 375 SUS (80,9 cSt) la 100°F (37,7°C).

Când fluidul de lucru trece prin pompă hidraulică și sistem, efectul de forfecare dintre cele două faze determină scăderea vâscozității emulsiei HFB. Pentru a asigura o lubrifiere adecvată a componentelor, vâscozitatea emulsiei HFB trebuie să fie mai mare decât vâscozitatea uleiului petrolier obișnuit pentru acel sistem.

Probleme legate de emulsiile ulei-în-apă

Stocarea fluidelor rezistente la foc pe bază de apă într-un rezervor poate cauza probleme. În cazul emulsiei HFB, cele două probleme principale sunt separarea fazelor și dezvoltarea bacteriană.

Separare de faze

Emulsiile HFB nu sunt concepute pentru funcționare la temperaturi scăzute. La 32°F (0°C) începe să se formeze gheață; la aproximativ -10°F (-23,3°C) emulsia îngheță complet. Ciclurile de îngheț–dezgheț determină separarea celor două faze: la punctul de îngheț al apei (32°F / 0°C), o parte dintre picăturile de apă din emulsie se solidifică în cristale de gheață. Pe măsură ce sistemul se încălzește și gheața se topește, emulsia nu se reformează neapărat — în acest moment, fluidul face ca componentele să devină mai predispuse la coroziune și nu mai este un lubrifiant eficient.

Ciclurile repetate de îngheț–dezgheț provoacă o separare permanentă a fazelor de apă și ulei. Odată separată, readucerea celor două faze într-o stare emulsionată este foarte dificilă, dacă nu imposibilă, iar rezistența la foc devine o problemă gravă.

Verificarea separării fazelor

Inspecia vizuală este utilizată pentru a verifica dacă emulsia a suferit o separare de fază. Este dificil de observat în rezervor dacă cele două faze s-au separat — luați o probă de ulei, turnați-o într-o sticlă cu gât larg și lăsați-o să stea o perioadă de timp. Veți observa orice apă liberă depunându-se pe fundul sticlei.

Dacă bănuiți că separarea de fază este gravă, contactați furnizorul de fluide — acesta poate recomanda înlocuirea fluidului.

Creștere bacteriană

În condiții de temperatură adecvate, bacteriile pot crește în emulsia HFB. Un număr mare de bacterii poate bloca orificiile supapelor de reglare a debitului sau elementele filtrului — toate aceste efecte fac sistemul nesigur și provoacă disfuncționarea acestuia.

Multe emulsii HFB conțin aditivi bacteriostatici pentru a preveni acest fenomen.

Verificarea creșterii bacteriene

Creșterea bacteriană în emulsia HFB poate fi detectată vizual și prin miros. Dacă bacteriile au crescut în fluid, filtrul de intrare pare acoperit cu un strat vâscos de mucus, iar fluidul emite un miros neplăcut.

Dacă este prezentă creșterea bacteriană în emulsie, este probabil necesară înlocuirea lichidului.

Glicol-apa (HFC)

Glicolul-apa este un alt tip de lichid ignifug pe bază de apă. Este compus din apă și glicol (glicol etilenic), iar structura sa chimică este foarte asemănătoare cu cea a lichidului anticongelant pentru autovehicule.

Glicolul-apa este de obicei de culoare roșie sau roz. Conține, de regulă, 60% glicol și 40% apă, la care se adaugă agenți chimici îngroșatori pentru a crește vâscozitatea. Deoarece glicolul se dizolvă efectiv în apă, acest lichid este monofazic — spre deosebire de emulsii, nu conține picături separate de apă și glicol atunci când este examinat la microscop. Glicolul-apa funcționează bine la temperaturi scăzute.

Compararea emulsiei HFB și a glicolului-apa

Comparând emulsia HFB și glicolul-apa, constatăm următoarele:

1. Stabilitatea emulsiei HFB este mai slabă decât cea a soluției de glicol-apa.
2. O emulsie HFB stabilă oferă o ungere superioară.
3. Emulsia HFB este mai ieftină.
4. Glicolul-apa are o rezistență la foc superioară.
5. Amestecul de apă și glicol funcționează mai bine la temperaturi scăzute.

Probleme legate de lichidele hidraulice pe bază de apă

Utilizarea unui lichid hidraulic ignifug pe bază de apă într-un rezervor hidraulic generează anumite probleme. Cele două probleme principale ale emulsiei HFB sunt reducerea duratei de viață a componentelor și evaporarea apei.

Ungerea cu lichide pe bază de apă

Deoarece lichidele hidraulice ignifuge pe bază de apă conțin o proporție mare de apă pentru a asigura rezistența la foc, capacitatea lor de ungere este mult mai redusă decât cea a uleiurilor petroliere — aceasta reprezintă o limitare intrinsecă.

Deși conțin aditivi pentru ungere și aditivi care conferă proprietăți de ușoară lubrifiere, aceste lichide reduc totuși durata de viață a componentelor în exploatare. Din cauza acestui efect negativ, lichidele hidraulice ignifuge pe bază de apă nu sunt, în general, utilizate în sisteme care funcționează la presiuni superioare lui 1.800 psi (124 bar).

Dintre fluidele HFA, emulsia HFB și amestecul apă-glicol, emulsia stabilă HFB oferă cea mai bună ungere; urmată de amestecul apă-glicol, apoi de HFA.

Tabelul 4-1: Factori relativi de reducere a lubrifierii pentru fluide ignifuge pe bază de apă comparativ cu uleiul petrolier. Un factor mai mare indică o uzură mai accentuată a componentelor.

Evaporarea apei

Mulți producători de fluide recomandă ca temperatura maximă de funcționare pentru fluidele hidraulice pe bază de apă să fie de 140°F (60°C), iar în mod ideal să se mențină sub 120°F (49°C). Peste 140°F (60°C) poate avea loc o evaporare excesivă a apei.

Când apa se evaporă din fluidul pe bază de apă, au loc mai multe efecte nedorite. Vaporii de apă care se eliberează din lichid se condensează pe suprafețele neprotejate de fier ale componentelor și provoacă ruginirea. După o perioadă de timp, ruginile se desprind sub formă de scame și devin o sursă de contaminare în întregul sistem.

Fluidele pe bază de apă conțin, în general, inhibitori ai ruginirii, dar orice suprafață metalică neacoperită care nu este imersată în fluid va fi atacată de aburul rezultat din evaporare.

Rezistența la foc a lichidelor pe bază de apă depinde de conținutul de apă, astfel încât evaporarea apei reduce rezistența la foc. Evaporarea afectează, de asemenea, vâscozitatea: în cazul glicolului cu apă, pierderea apei crește vâscozitatea; în cazul emulsiei HFB, pierderea apei scade vâscozitatea și poate face emulsia instabilă. Pentru a menține o rezistență optimă la foc și o vâscozitate adecvată, conținutul de apă al lichidelor ignifuge pe bază de apă trebuie verificat periodic și menținut într-un domeniu îngust de concentrație.

Figura 4-11: Evaporarea apei din lichidele pe bază de apă. Evaporarea reduce rezistența la foc, modifică vâscozitatea și permite condensarea aburului pe suprafețele metalice, provocând coroziune.

Lichid hidraulic sintetic ignifug (HFDR)

Lichidul hidraulic sintetic ignifug este un ulei fabricat artificial, remarcat pentru înalta sa rezistență la foc, iar lubrifierea sa este asemănătoare celei a uleiului petrolier. Cel mai utilizat lichid hidraulic sintetic ignifug este esterul fosfatic.

Notă: Lichidul sintetic rezistent la foc nu trebuie amestecat cu rășini de silicon, esteri de silicat, esteri ai acizilor dibazici, compuși esteri poliol, polieteri sau alte lichide sintetice. Aceste compuși sintetici pot avea proprietăți specifice necesare unor anumite aplicații, dar în general nu sunt considerați rezistenți la foc.

Lichidul pe bază de esteri fosfatici funcționează bine la presiune ridicată și are o excelentă rezistență la foc, dar este scump. În sistemele de înaltă presiune care necesită rezistență la foc, din cauza costului ridicat al esterilor fosfatici, se poate utiliza un amestec de esteri fosfatici și ulei mineral. Acest amestec oferă lubrifierea necesară sistemului, dar rezistența sa la foc nu este la fel de bună ca cea a esterilor fosfatici puri.

Compararea lichidelor rezistente la foc pe bază de apă și a celor sintetice

La compararea lichidelor rezistente la foc pe bază de apă și a celor sintetice:

6. Lichidele sintetice au o lubrifiere superioară și pot funcționa la presiuni mai ridicate.
7. Lichidele sintetice sunt mai scumpe.
8. Lichidele sintetice au o rezistență superioară la foc.
9. Lichidul pe bază de ester fosfatic are o temperatură de aprindere de aproximativ 455°F (235°C), o temperatură de ardere de aproximativ 665°F (352°C) și o temperatură de autoaprindere de aproximativ 1.150°F (621°C).

Lichidele pe bază de apă nu exprimă rezistența la foc prin temperaturile de aprindere și de ardere — deoarece aceste lichide conțin apă. Temperatura de autoaprindere a glicolului cu apă este de aproximativ 1.100°F (593°C); pentru emulsia HFB, temperatura de autoaprindere este de aproximativ 825°F (440,6°C).

Figura 4-14: Patru tipuri de lichide hidraulice rezistente la foc și butoaiele lor de stocare. De la stânga: sintetic (ester fosfatic), amestec de ester fosfatic și ulei, emulsie HFB și glicol cu apă.

Probleme legate de lichidele hidraulice rezistente la foc

Utilizarea lichidelor hidraulice rezistente la foc în sistemele hidraulice generează anumite probleme, printre care: compatibilitatea cu etanșările și straturile protectoare, formarea de spumă și retenția de aer, precum și sedimentarea.

Compatibilitatea lichidelor hidraulice rezistente la foc

Cel mai frecvent material utilizat pentru etanșările dinamice în sistemele cu ulei petrolier este cauciucul nitrilic (Buna-N). Acest material este compatibil și cu emulsia HFB și cu lichidul pe bază de apă și glicol. Atunci când un sistem trece de la ulei petrolier la emulsie HFB sau la lichid pe bază de apă și glicol, dacă etanșările existente sunt din cauciuc nitrilic, acestea nu necesită înlocuire. Totuși, dacă se trece la un fluid sintetic, cum ar fi esterul fosfatic, înlocuirea etanșărilor este obligatorie.

La trecerea de la ulei petrolier la un lichid hidraulic pe bază de apă pot apărea probleme legate de straturile de protecție. Dacă interiorul rezervorului este protejat cu un strat de acoperire sau vopsea compatibilă cu uleiul petrolier, lichidul pe bază de apă poate dizolva aceste straturi de protecție.

Soluiile de apă-glicol și unele concentrații chimice sunt incompatibile cu anumite metale. Acestea pot coroda zincul, cadmiul, magneziul și unele aliaje de aluminiu, generând un zgură aderentă care blochează orificiile supapelor și filtrele și poate cauza blocarea tijei supapei. Prin urmare, se recomandă ca componentele care conțin aceste metale sau sunt placate cu aceste metale să nu fie utilizate împreună cu apă-glicol. Astfel de componente pot include țevi electroplacate, site de filtru placate cu zinc sau cadmiu, accesorii pentru racorduri de țevi și accesorii pentru rezervoare.

Materialul obișnuit de etanșare din cauciuc nitrilic, utilizat pentru etanșările dinamice în sistemele cu ulei petrolier, nu este compatibil cu esterii fosforici sau amestecurile pe bază de esteri fosforici — aceste fluide necesită elastomer fluorurat (Viton), cauciuc pe bază de epoxid sau alte materiale de etanșare compatibile.

Lichidul sintetic rezistent la foc poate dizolva vopselele și lacurile compatibile cu uleiul petrolier, dar nu corodează metalele obișnuite dintr-un sistem hidraulic.

Spuma și retenția aerului în lichidele rezistente la foc

Comparativ cu uleiul petrolier, lichidele ignifuge pe bază de apă și sintetice sunt mai predispuse să rețină aerul și să facă spumă. După ce lichidul de lucru revine în rezervor, lichidul ignifug necesită un timp mai lung în rezervor pentru a elibera toate bulele de aer acumulate.

Prin urmare, sistemele care utilizează lichide ignifuge trebuie să aibă un rezervor mai mare decât cele care folosesc ulei petrolier.

sedimentarea în lichidele ignifuge

Când lichidul ignifug revine în rezervor, comparativ cu uleiul petrolier, reține mai ușor contaminanții plutitori. Lichidul ar trebui să permită oricărui contaminant de dimensiune corespunzătoare să se depună pe fundul rezervorului, dar, în cazul lichidelor ignifuge, contaminanții nu se depun la fel de ușor.

Prin urmare, atunci când un sistem utilizează un lichid hidraulic ignifug, primul lucru de luat în considerare este adoptarea unor măsuri eficiente de filtrare a lichidului, iar filtrele magnetice nu trebuie neglijate.

Liniștirea Guideline

Depozitare

Depozitarea lichidului hidraulic ignifug este esențialmente aceeași ca și cea a uleiului petrolier — butoaiele trebuie stocate pe o parte, astfel încât apa să nu se acumuleze în partea superioară și să pătrundă în interior.

Pentru emulsia HFB există o cerință suplimentară de depozitare: deoarece ciclurile repetate de îngheț-dezgheț afectează stabilitatea acesteia, trebuie evitat cu grijă înghețarea în timpul depozitării.

Transferul lichidului din butoi în rezervor

Transferul lichidului din butoaiele de depozitare în rezervor este un alt pas important. Înainte de îndepărtarea dopului butoiului, curățați capacul butoiului și pregătiți toată echipamentul și uneltele necesare procesului de transfer: furtun flexibil, pompă de transfer, funnel, filtru de umplere pentru rezervor și mâinile operatorului. Verificați dacă denumirea comercială și vâscozitatea lichidului din butoi sunt corecte.

Dacă se folosește o pompă de transfer pentru deplasarea lichidului ignifug, asigurați-vă că nu rămâne în pompă niciun lichid rezidual de alt tip și că materialele pompei și ale racordurilor sunt compatibile cu lichidul.

După ce lichidul rezistent la foc este introdus în rezervor, acesta trebuie întreținut și monitorizat la intervalele specificate. Întreținerea uleiului include: completarea până la nivelul minim, remedierea scurgerilor și înlocuirea elementelor filtrante.

Lichidul hidraulic pe bază de apă trebuie verificat periodic pentru conținutul său de apă — concentrația trebuie menținută într-un domeniu foarte îngust; în caz contrar, vor fi afectate vâscozitatea și rezistența la foc.

În general, nu se recomandă adăugarea de apă într-o emulsie HFB, deoarece aceasta necesită un proces de reemulsificare. Adăugarea de apă într-o soluție de glicol cu apă este frecventă, dar nu trebuie efectuată simplu prin conectarea unui furtun de grădină la rezervor. Apa folosită pentru completare nu trebuie să conțină depozite minerale care ar putea contamina sistemul. Apa distilată sau deionizată este potrivită pentru soluțiile de glicol cu apă; cantitatea de adăugat trebuie stabilită pe baza analizei de laborator a eșantionului de ulei.

* HFA este rar utilizat în sistemele de înaltă presiune din cauza lubrifierii foarte slabe; limita de presiune este mai degrabă o constrângere practică decât una tehnică.