Нефтяное масло является превосходной смазкой, поэтому системы, использующие его в качестве рабочей жидкости для передачи энергии, могут рассчитывать на длительный и надёжный срок службы. Однако во многих системах и областях применения у нефтяного масла имеется один существенный недостаток: под давлением масло может вырываться через утечки и образовывать туман (масляный аэрозоль). Этот туман стал причиной множества промышленных пожаров.

При обычном использовании нефтяного масла риск возгорания невелик — поскольку минеральное масло трудно воспламеняется при комнатной температуре и обладает способностью гасить пламя, сопоставимой с действием деревянной спички. Однако при появлении мелких утечек в высоконапорных магистралях масло выбрасывается в виде тонкого тумана. Туман представляет собой высокоflammable смесь, которая легко воспламеняется — такую утечку можно сравнить с топливным инжектором.

В промышленных средах с повышенным риском возгорания первоочередное внимание уделяется безопасности персонала и возможности поддержания производственного процесса без случайных пожаров. Если в среде могут возникать случайные источники воспламенения, необходимо использовать огнестойкие гидравлические жидкости. Применение таких жидкостей повышает эксплуатационные затраты (огнестойкие жидкости дороже минеральных масел) и сокращает срок службы компонентов.

Цель данной главы — определить наиболее распространённые огнестойкие гидравлические жидкости, используемые в гидравлических системах, рассмотреть некоторые проблемы, связанные с их применением, а также привести рекомендации по техническому обслуживанию.

Определение огнестойкости

Огнестойкие жидкости не являются негорючими — как следует из их названия, они просто трудновоспламеняемы. При нагревании огнестойкой жидкости до достаточно высокой температуры она в конечном счёте всё же загорится.

Огнестойкость конкретной жидкости определяется тремя техническими показателями: температурой вспышки, температурой воспламенения и температурой самовоспламенения. В приведённых ниже описаниях трёх испытаний в качестве эталонной жидкости используется гидравлическое масло на нефтяной основе.

Температура Воспламенения

Температура вспышки жидкости — это температура, до которой её необходимо нагреть, чтобы с её поверхности выделилось достаточное количество пара для воспламенения при поднесении пламени. Для нефтяного гидравлического масла при нагреве до 350–450 °F (176,6–232,2 °C) выделяется достаточно пара для воспламенения при поднесении пламени. Однако после удаления пламени горение прекращается.

Температура воспламенения

Температура воспламенения — это температура, до которой масло должно быть нагрето, чтобы продолжать гореть после удаления испытательного пламени. При температуре выше этой с поверхности масла выделяется достаточное количество пара, чтобы, будучи зажжённым, оно продолжало гореть самостоятельно даже после удаления источника пламени.

Температура самовозгорания

Температура самовоспламенения (AIT) — это температура, при которой масло воспламеняется само по себе без внешнего пламени или искры. Для минерального гидравлического масла самовоспламенение происходит при нагреве до 500–700 °F (260–371 °C).

Жидкости, классифицируемые как огнестойкие, обладают более высокими температурами вспышки, температурами воспламенения и температурами самовоспламенения по сравнению с минеральными маслами.

Типы огнестойких гидравлических жидкостей

Огнестойкие жидкости можно разделить на две основные категории: водосодержащие и синтетические.

Водосодержащие гидравлические жидкости

Первой гидравлической рабочей средой была вода. У воды есть определённые недостатки (особенно в плане смазывающих свойств), однако она не поддерживает горение, поэтому изначально при необходимости обеспечения огнестойкости просто возвращались к использованию воды. Однако поскольку для нормальной работы требуется определённая смазка, масло и вода были эмульгированы друг с другом.

Эмульсия «вода в масле» (W/O Emulsion)

Это огнестойкая жидкость на водной основе, состоящая из воды и масла. Это не раствор — вода и масло не растворяются друг в друге. В данной жидкости масло диспергируется химическим эмульгатором в чрезвычайно мелкие капли и равномерно распределяется по всей водной среде, что улучшает её смазочные свойства. При контакте этой жидкости с пламенем вода превращается в пар и подавляет горение.

Эта двухфазная вода/масло-жидкость называется эмульсией. В период широкого применения такого типа жидкостей типичное соотношение составляло 60 % воды к 40 % масла, где вода выступала в качестве основной фазы, а масло — в виде диспергированных капель.

Жидкость с высоким содержанием воды (HFA)

Это огнестойкая жидкость, в которой вода является основным компонентом. В настоящее время данный тип жидкости редко используется в гидравлических системах — за исключением случаев, когда из-за утечек теряется значительное количество рабочей жидкости. Системы, использующие такую жидкость, жертвуют сокращённым сроком службы компонентов ради некоторого экономического преимущества, поскольку она относительно дешёва (вода составляет не менее 90 % состава).

Эмульсия с содержанием масла от 1 до 10 % называется высокообводнённой жидкостью (раствор масла в воде). Если кто-то говорит, что их система использует «5%-ный масляный раствор», это означает, что в нём содержится 95 % воды и 5 % масла, или химическая концентрация составляет 95:5.

Эмульсия масла в воде (HFB)

Современные водно-масляные эмульсии, применяемые в гидравлических системах, представляют собой молочно-белые жидкости, состоящие из 60 % масла и 40 % воды — соотношение компонентов противоположно более раннему типу HFA (60 % воды к 40 % масла). Поскольку основным компонентом этой жидкости является масло, а вода выступает в роли дисперсной фазы, эмульсия типа HFB обладает лучшими смазывающими свойствами по сравнению с HFA, однако её огнестойкость несколько снижена.

вязкость водно-масляных эмульсий

Как и нефтяное масло, вязкость является важным свойством водно-масляных эмульсий. Поскольку жидкость типа HFA содержит не менее 90 % воды, её вязкость практически равна вязкости воды, что делает её относительно слабым смазочным материалом.

С другой стороны, хотя эмульсия типа HFB состоит примерно на 60 % из масла, это не означает, что её вязкость равна вязкости базового масла. Из-за эффекта сдвига между двумя фазами эмульсия типа HFB демонстрирует более низкую вязкость, чем можно было бы ожидать. Чтобы обеспечить надлежащую смазку компонентов системы, используемая эмульсия типа HFB должна обладать более высокой вязкостью по сравнению с нефтяным маслом, обычно применяемым в данной системе. Например, если в системе используется нефтяное масло с вязкостью 150 SUS (32 сСт) при 100 °F (37,7 °C), то эмульсия типа HFB должна иметь вязкость 375 SUS (80,9 сСт) при 100 °F (37,7 °C).

Когда рабочая жидкость проходит через гидравлический насос и систему, сдвиговое воздействие между двумя фазами приводит к снижению вязкости эмульсии HFB. Чтобы обеспечить надёжную смазку компонентов, вязкость эмульсии HFB должна быть выше вязкости обычного минерального масла для данной системы.

Проблемы, связанные с масляными эмульсиями в воде

Хранение огнестойких жидкостей на водной основе в резервуаре может вызывать проблемы. Для эмульсии HFB основными проблемами являются расслоение фаз и рост бактерий.

Разделение фаз

Эмульсии HFB не предназначены для эксплуатации при низких температурах. При 32 °F (0 °C) начинается образование льда; при примерно −10 °F (−23,3 °C) эмульсия полностью замерзает. Циклы замораживания–оттаивания приводят к расслоению двух фаз: при температуре замерзания воды (32 °F / 0 °C) часть водяных капель в эмульсии превращается в ледяные кристаллы. По мере повышения температуры и таяния льда эмульсия не обязательно восстанавливается — в этот момент жидкость делает компоненты более подверженными коррозии и перестаёт быть эффективной смазкой.

Многократные циклы замораживания–оттаивания вызывают необратимое расслоение водной и масляной фаз. После расслоения восстановление эмульсированного состояния обеих фаз крайне затруднено, а в ряде случаев невозможно, что создаёт серьёзную угрозу пожаробезопасности.

Проверка на наличие расслоения фаз

Визуальный осмотр используется для проверки наличия расслоения эмульсии. В резервуаре трудно определить, произошло ли расслоение на две фазы; возьмите пробу масла, перелейте её в широкогорлую бутылку и оставьте на некоторое время. Свободная вода, если она присутствует, осядет на дно бутылки.

Если вы подозреваете, что расслоение фаз выражено сильно, свяжитесь с поставщиком рабочей жидкости — он может порекомендовать замену жидкости.

Рост бактерий

При подходящих температурных условиях в эмульсии HFB могут размножаться бактерии. Большое количество бактерий способно забивать отверстия регулирующих клапанов и элементы фильтров — все эти эффекты снижают надёжность системы и приводят к её неисправности.

Многие эмульсии HFB содержат бактериостатические присадки для предотвращения этого явления.

Проверка на наличие бактериального роста

Бактериальный рост в эмульсии HFB можно обнаружить визуально и по запаху. Если в жидкости произошло размножение бактерий, входной фильтр выглядит так, будто он покрыт вязкой слизью, а сама жидкость издаёт неприятный запах.

Если в эмульсии обнаружено бактериальное размножение, жидкость, скорее всего, потребуется заменить.

Водно-гликолевая жидкость (HFC)

Водно-гликолевая жидкость — это ещё один тип огнестойкой жидкости на водной основе. Она состоит из воды и гликоля (этиленгликоля), а её химическая структура очень схожа со структурой автомобильного антифриза.

Водно-гликолевая жидкость обычно имеет красный или розовый цвет. Обычно она содержит 60 % гликоля и 40 % воды, а также химические загустители, добавляемые для повышения вязкости. Поскольку гликоль действительно растворяется в воде, такая жидкость является однофазной — в отличие от эмульсий, при микроскопическом исследовании в ней не наблюдается отдельных капель воды и гликоля. Водно-гликолевая жидкость хорошо работает при низких температурах.

Сравнение эмульсии HFB и водно-гликолевой жидкости

Сравнивая эмульсию HFB и водно-гликолевую жидкость, мы выявляем следующее:

1. Стабильность эмульсии HFB ниже, чем у водно-гликолевого раствора.
2. Стабильная эмульсия HFB обеспечивает лучшую смазку.
3. Эмульсия HFB дешевле.
4. Водно-гликолевая жидкость обладает более высокой огнестойкостью.
5. Водно-гликолевая жидкость работает лучше при низких температурах.

Проблемы с гидравлическими жидкостями на водной основе

Использование огнестойкой жидкости на водной основе в гидравлическом баке создаёт ряд проблем. Две основные проблемы для эмульсии HFB — сокращение срока службы компонентов и испарение воды.

Смазка с использованием жидкостей на водной основе

Поскольку огнестойкие жидкости на водной основе содержат значительную долю воды для обеспечения огнестойкости, их смазывающие свойства значительно ниже, чем у минерального масла — это их принципиальный недостаток.

Хотя в состав включены присадки для улучшения смазывающих свойств и антифрикционные присадки, они всё равно снижают срок службы компонентов в процессе эксплуатации. Из-за этого негативного эффекта огнестойкие жидкости на водной основе, как правило, не применяются в системах, работающих при давлении выше 1800 psi (124 бар).

Среди жидкостей типа HFA, эмульсии HFB и водно-гликолевой жидкости стабильная эмульсия HFB обладает наилучшими смазывающими свойствами; за ней следует водно-гликолевая жидкость, а затем — HFA.

Таблица 4-1. Относительные коэффициенты снижения смазывающей способности огнестойких водных жидкостей по сравнению с минеральным маслом. Более высокий коэффициент означает больший износ компонентов.

Испарение воды

Многие производители жидкостей рекомендуют, чтобы максимальная рабочая температура водных гидравлических жидкостей не превышала 140 °F (60 °C), а оптимально — была ниже 120 °F (49 °C). При температуре выше 140 °F (60 °C) может происходить чрезмерное испарение воды.

При испарении воды из водной жидкости возникает несколько нежелательных явлений. Пар, выходящий из жидкости, конденсируется на незащищённых поверхностях железных компонентов и вызывает коррозию. Со временем ржавчина отслаивается и становится источником загрязнения во всей системе.

Водные жидкости, как правило, содержат ингибиторы коррозии, однако любая незащищённая металлическая поверхность, не погружённая в жидкость, подвергается воздействию пара, образующегося при испарении.

Огнестойкость водных жидкостей зависит от содержания воды, поэтому испарение воды снижает огнестойкость. Испарение также влияет на вязкость: в водно-гликолевых жидкостях потеря воды приводит к повышению вязкости; в эмульсии HFB потеря воды снижает вязкость и может привести к нестабильности эмульсии. Для поддержания оптимальной огнестойкости и приемлемой вязкости содержание воды в водных огнестойких жидкостях необходимо регулярно контролировать и поддерживать в узком диапазоне концентрации.

Рисунок 4-11 — Испарение воды из водных жидкостей. Испарение снижает огнестойкость, изменяет вязкость и способствует конденсации пара на металлических поверхностях, вызывая коррозию.

Синтетическая огнестойкая гидравлическая жидкость (HFDR)

Синтетическая огнестойкая гидравлическая жидкость — это синтетическое масло, полученное искусственным путём, отличающееся высокой огнестойкостью; её смазочные свойства близки к свойствам минерального масла. Наиболее широко применяемой синтетической огнестойкой жидкостью является фосфатный эфир.

Примечание: Синтетическую огнестойкую жидкость нельзя смешивать с силиконовыми смолами, силоксановыми эфирами, диосновными кислотными эфирами, сложными эфирами полиолов, полиэфирами или другими синтетическими жидкостями. Эти синтетические соединения могут обладать специфическими свойствами, необходимыми для определённых применений, однако в целом они не считаются огнестойкими.

Фосфатные эфирные жидкости хорошо работают при высоком давлении и обладают превосходной огнестойкостью, однако их стоимость высока. В системах высокого давления, где требуется огнестойкость, из-за дороговизны фосфатных эфиров может использоваться смесь фосфатного эфира и минерального масла. Такая смесь обеспечивает необходимую системе смазку, однако её огнестойкость ниже, чем у чистого фосфатного эфира.

Сравнение водных и синтетических огнестойких жидкостей

При сравнении водных и синтетических огнестойких жидкостей:

6. Синтетические жидкости обеспечивают лучшую смазку и способны работать при более высоком давлении.
7. Синтетические жидкости дороже.
8. Синтетические жидкости обладают лучшей огнестойкостью.
9. Фосфат-эфирная жидкость имеет температуру вспышки около 455 °F (235 °C), температуру воспламенения около 665 °F (352 °C) и температуру самовоспламенения около 1150 °F (621 °C).

Водные жидкости не характеризуются огнестойкостью по температурам вспышки и воспламенения — поскольку они содержат воду. Температура самовоспламенения водно-гликолевой жидкости составляет около 1100 °F (593 °C); для эмульсии HFB температура самовоспламенения составляет около 825 °F (440,6 °C).

Рисунок 4-14. Четыре типа огнестойких жидкостей и их тарные бочки. Слева направо: синтетическая (фосфат-эфирная), смесь фосфат-эфира с маслом, эмульсия HFB и водно-гликолевая жидкость.

Проблемы, связанные с использованием огнестойких гидравлических жидкостей

Использование огнестойких жидкостей в гидравлических системах вызывает определённые проблемы, включая совместимость с уплотнениями и защитными покрытиями, склонность к пенообразованию и удержанию воздуха, а также осаждение твёрдых частиц.

Совместимость огнестойких жидкостей

Наиболее распространённым материалом для динамических уплотнений в системах с нефтяным маслом является нитрильная резина (буна-Н). Этот материал также совместим с эмульсией HFB и водно-гликолевой жидкостью. При переходе системы с нефтяного масла на эмульсию HFB или водно-гликолевую жидкость, если существующие уплотнения выполнены из нитрильной резины, их замена не требуется. Однако при переходе на синтетическую жидкость, такую как фосфатный эфир, замена уплотнений обязательна.

При переходе от нефтяного масла к водной гидравлической жидкости могут возникнуть проблемы с защитными покрытиями. Если внутренняя поверхность бака защищена покрытием или краской, совместимыми с нефтяным маслом, водная жидкость может растворить такие покрытия.

Водно-гликолевые жидкости и некоторые химические концентраты несовместимы с определенными металлами. Они могут вызывать коррозию цинка, кадмия, магния и некоторых алюминиевых сплавов, образуя липкий шлак, который забивает отверстия клапанов и фильтры и может привести к заклиниванию золотника клапана. Поэтому рекомендуется не использовать компоненты, содержащие эти металлы или покрытые ими, в системах с водно-гликолевыми жидкостями. К таким компонентам могут относиться электролитически никелированные трубы, фильтрующие сетки с цинковым или кадмиевым покрытием, трубные фитинги и аксессуары для баков.

Обычный уплотнительный материал из нитрильного каучука, применяемый для динамических уплотнений в системах на минеральном масле, не совместим с фосфатными эфирами и их смесями — для этих жидкостей требуются фторэластомеры (Viton), эпоксидные резины или другие совместимые уплотнительные материалы.

Синтетические огнестойкие жидкости могут растворять краски и лаки, совместимые с минеральным маслом, однако они не вызывают коррозии распространённых металлов, используемых в гидравлических системах.

Пенообразование и удержание воздуха в огнестойких жидкостях

По сравнению с минеральным маслом водные и синтетические огнестойкие жидкости более склонны к удержанию воздуха и образованию пены. После возврата рабочей жидкости в резервуар огнестойкой жидкости требуется больше времени в резервуаре для полного удаления накопившихся воздушных пузырьков.

Следовательно, системы, использующие огнестойкие жидкости, должны иметь больший резервуар по сравнению с системами, использующими минеральное масло.

осадок в огнестойких жидкостях

Когда огнестойкая жидкость возвращается в резервуар, по сравнению с минеральным маслом она легче удерживает взвешенные загрязнения. Жидкость должна обеспечивать оседание всех загрязнений подходящего размера на дно резервуара, однако в огнестойких жидкостях загрязнения оседают менее эффективно.

Поэтому при использовании гидравлической огнестойкой жидкости первым шагом следует предусмотреть надёжные меры фильтрации жидкости, а также не следует пренебрегать применением магнитных фильтров.

Руководство по обслуживанию

Хранение

Хранение огнестойкой гидравлической жидкости по существу аналогично хранению нефтепродуктов: барабаны следует хранить на боку, чтобы вода не скапливалась сверху и не проникала внутрь.

Для эмульсии HFB существует дополнительное требование к хранению: поскольку повторяющиеся циклы замораживания и оттаивания влияют на её стабильность, при хранении необходимо тщательно предотвращать её замерзание.

Перелив жидкости из барабана в резервуар

Перелив жидкости из хранилищных барабанов в резервуар — ещё один важный этап. Перед снятием пробки барабана очистите крышку барабана и подготовьте всё необходимое оборудование и инструменты для перелива: гибкий шланг, перекачивающий насос, воронку, фильтр для заливки в резервуар и руки оператора. Убедитесь, что марка и вязкость жидкости в барабане соответствуют требуемым.

Если для перекачки огнестойкой жидкости используется перекачивающий насос, убедитесь, что в насосе нет остатков жидкости другого типа, а материалы и соединительные детали насоса совместимы с данной жидкостью.

После заливки огнестойкой жидкости в резервуар ее необходимо обслуживать и контролировать через заданные интервалы. Обслуживание масла включает: долив до минимального уровня, устранение утечек и замену фильтрующих элементов.

Водосодержащую гидравлическую жидкость следует регулярно проверять на содержание воды — концентрация должна поддерживаться в очень узком диапазоне; в противном случае пострадают вязкость и огнестойкость.

Как правило, не рекомендуется добавлять воду в эмульсию HFB, поскольку это требует повторной эмульгации. Добавление воды в водно-гликолевый раствор является распространённой практикой, однако делать это простым подключением садового шланга к резервуару недопустимо. Вода для долива не должна содержать минеральных примесей, способных загрязнить систему. Для водно-гликолевых растворов пригодна дистиллированная или деионизированная вода; объём добавляемой воды должен определяться по результатам лабораторного анализа образца жидкости.

* HFA редко используется в системах высокого давления из-за крайне низких смазывающих свойств; предел давления определяется скорее практическими, чем техническими ограничениями.