Petroleumbaserad olja är en utmärkt smörjmedel, så system som använder den som energiöverföringsmedium kan förvänta sig en lång och pålitlig livslängd. I många system och applikationer har emellertid petroleumbaserad olja en betydande nackdel: under tryck kan oljan spruta ut genom läckor och bilda en dimma (oljedimma). Denna dimma har blivit orsaken till många industriella eldsvåror.

När vi normalt använder petroleumbaserad olja är brandrisken inte särskilt hög – eftersom mineralolja inte antänds lätt vid rumstemperatur och har en flammsläckande förmåga liknande den hos ett trästicka. Men när högtryckslinjer utvecklar små läckor sprutas oljan ut som en fin dimma. Dimma är en mycket brandfarlig blandning som lätt kan antändas – denna typ av läcka kan ses som en bränsleinsprutare.

I industriella miljöer med brandrisk är den första saken att ta hänsyn till säkerheten för arbetstagare och möjligheten att upprätthålla produktionen utan oavsiktliga bränder. Om miljön kan ge upphov till oavsiktliga antändningskällor krävs brandsäkra hydraulvätskor. Användning av sådana vätskor ökar driftkostnaderna (brandsäkra vätskor är dyrare än mineralolja) och minskar komponenternas livslängd.

Syftet med detta kapitel är att identifiera de brandsäkra hydraulvätskor som vanligen används i hydrauliska system, diskutera vissa problem som kan uppstå vid deras användning samt ge underhållsriktlinjer.

Bestämning av brandsäkerhet

Brandsäkra vätskor är inte eldfasta – enligt namnet är de helt enkelt svåra att antända. Om en brandsäker vätska värms upp till en tillräckligt hög temperatur kommer den ändå slutligen att antändas.

Brandmotståndet hos en specifik vätska bestäms av tre tekniska mätningar: flashpunkt, brandpunkt och självantändningstemperatur. Referensvätskan i de tre följande provbeskrivningarna är hydraulolja baserad på petroleum.

Flampunkt

Flashpunkten för en vätska är den temperatur till vilken den måste värmas upp innan den frigör tillräckligt med ånga från sin yta för att antändas om en låga appliceras. För petroleumbaserad hydraulolja frigörs tillräckligt med ånga för att antändas om den värms upp till 350–450 °F (176,6–232,2 °C). När lågan dock tas bort sluter bränningen.

Brandpunkt

Brandpunkten är den temperatur till vilken oljan måste värmas upp så att den fortsätter brinna även efter att provlågan tagits bort. Ovanför denna temperatur frigörs tillräckligt med ånga från oljans yta för att, när den en gång antänds, fortsätta brinna självständigt även efter att lågkällan tagits bort.

Självbrands temperatur

Självantändningstemperaturen (AIT) är den temperatur vid vilken oljan antänder spontant utan yttre låga eller gnista. För petroleumbaserad hydraulolja antänder den spontant om den upphettas till 500–700 °F (260–371 °C).

Fluider som klassificeras som brandsäkra har högre flashpunkt, brandspont och självantändningstemperatur än petroleumbaserade oljor.

Typer av brandsäkra hydraulfluider

Brandsäkra fluider kan delas in i två huvudkategorier: vattenbaserade och syntetiska.

Vattenbaserade hydraulfluider

Det första hydrauliska arbetsmediet var vatten. Vatten har vissa nackdelar (särskilt vad gäller smörjning), men det är icke-brännbart, så den ursprungliga metoden när brandsäkerhet krävdes var helt enkelt att återgå till vatten. Men eftersom viss smörjning krävs emulgerades olja och vatten tillsammans.

Vatten-i-olja-emulsion (W/O-emulsion)

Detta är en vattenbaserad brandhämmande vätska som består av vatten och olja. Det är inte en lösning – olja och vatten löser inte upp sig i varandra. I denna vätska dispergeras oljan i extremt fina droppar med hjälp av en kemisk emulgeringsmedel och fördelas jämnt i vattenbäraren, vilket förbättrar dess smörjegenskaper. När denna vätska kommer i kontakt med en låga omvandlas vattnet till ånga och kväver elden.

Denna tvåfasiga vatten/olja-vätska kallas en emulsion. Under den period då denna typ av vätska var allmänt använd, var förhållandet vanligtvis 60 % vatten till 40 % olja, där vatten utgjorde den huvudsakliga fasen och oljan de dispergerade dropparna.

Hög-vattenbaserad vätska (HFA)

Detta är en brandsäker vätska där vatten är den främsta komponenten. För närvarande används denna typ sällan i hydraulsystem – förutom i system där stora mängder arbetsvätska förloras på grund av läckage. System som använder denna typ byter in kortare komponentlivslängd mot vissa ekonomiska fördelar, eftersom den är relativt billig (vatten utgör minst 90 % av innehållet).

En emulsion med 1–10 % oljehalt kallas en högvattengrundad vätska (olja-i-vatten-lösning). Om någon säger att deras system använder en "5 % oljelösning" innebär det 95 % vatten och 5 % olja, eller en kemisk koncentration på 95:5.

Olja-i-vatten-emulsion (HFB)

Modern vatten/olja-emulsion som används i hydraulsystem är mjölkvita vätskor bestående av 60 % olja och 40 % vatten – förhållandet är omvänt jämfört med den tidigare HFA-typen (60 % vatten till 40 % olja). Eftersom den främsta komponenten i denna vätska är olja, med vatten som den disperserade fasen, har HFB-emulsionen bättre smörjegenskaper än HFA, men dess brandsäkerhet är något lägre.

viskositet hos vatten/olja-emulsioner

Precis som petroleumolja är viskositet en viktig egenskap hos vatten/olja-emulsioner. Eftersom HFA-vätskan innehåller minst 90 % vatten är dess viskositet i princip densamma som vattnets — vilket gör den till en relativt dålig smörjmedel.

Å andra sidan innebär det inte att HFB-emulsionen, som består av cirka 60 % olja, har samma viskositet som dess basolja. På grund av skäreffekten mellan de två faserna visar HFB-emulsionen en lägre viskositet än förväntat. För att säkerställa tillräcklig smörjning av systemkomponenterna bör den använda HFB-emulsionen ha en högre viskositet än den petroleumolja som normalt används i systemet. Till exempel bör HFB-emulsionen ha en viskositet på 375 SUS (80,9 cSt) vid 100 °F (37,7 °C) om systemet använder petroleumolja med en viskositet på 150 SUS (32 cSt) vid 100 °F (37,7 °C).

När arbetsvätskan passerar genom hydraulpumpen och systemet orsakar skäreffekten mellan de två faserna att HFB-emulsionen visar en minskning av viskositeten. För att säkerställa att komponenterna är väl smörjda bör viskositeten hos HFB-emulsionen vara högre än viskositeten för den normala petroleumoljan i det aktuella systemet.

Problem med olja-i-vatten-emulsioner

Att lagra vattenbaserade brandhämmande vätskor i ett reservoar kan orsaka problem. För HFB-emulsionen är de två huvudsakliga problemen fas separation och bakterietillväxt.

Fasseparator

HFB-emulsioner är inte avsedda för drift vid låga temperaturer. Vid 32 °F (0 °C) börjar is att bildas; vid cirka -10 °F (-23,3 °C) fryser emulsionen fullständigt. Fryscyklar och upptinncyklar orsakar separation av de två faserna: vid vattnets fryspunkt (32 °F / 0 °C) stelnar vissa av vattendropparna i emulsionen till iskristaller. När systemet värms upp och isen smälter återbildas emulsionen inte nödvändigtvis — vid detta tillfälle gör vätskan komponenterna mer benägna att rosta och är inte längre en bra smörjmedel.

Upprepade fryscyklar och upptinncyklar orsakar permanent separation av vatten- och oljefaserna. När faserna en gång har separerats är det mycket svårt, om inte omöjligt, att återföra dem till ett emulgerat tillstånd, och brandsäkerheten blir en allvarlig fråga.

Kontrollera om fasseparation har skett

Visuell inspektion används för att kontrollera om emulsionen har separerat i faser. Det är svårt att avgöra i reservoaren om de två faserna har separerat — ta ett prov av oljan, häll det i en flaska med brett munstycke och låt det stå en stund. Du kommer att se eventuellt fritt vatten sjunka till botten av flaskan.

Om du misstänker att fas separationen är allvarlig bör du kontakta din vätskeleverantör — de kan rekommendera att vätskan byts ut.

Bakterietillväxt

Under lämpliga temperaturförhållanden kan bakterier växa i HFB-emulsionen. Stora mängder bakterier kan blockera strömningsregleringsventilens öppningar och filterelement — alla dessa effekter gör systemet otillförlitligt och orsakar felaktig funktion.

Många HFB-emulsioner innehåller bakteriostatiska tillsatser för att förhindra detta.

Kontroll av bakterietillväxt

Bakterietillväxt i HFB-emulsionen kan upptäckas visuellt och genom lukten. Om bakterier har växt i vätskan ser infiltersnätet ut som om det är täckt av en visköst slem, och vätskan avger en obehaglig lukt.

Om bakterietillväxt finns i emulsionen kommer vätskan troligen att behöva bytas ut.

Vatten-glykol (HFC)

Vatten-glykol är en annan typ av vattenbaserad brandsäker vätska. Den består av vatten och glykol (etylenglykol), och dess kemiska struktur är mycket lik bilens frysskydd.

Vatten-glykol är vanligtvis röd eller rosa i färg. Den innehåller vanligtvis 60 % glykol och 40 % vatten, med kemiska tjockningsmedel tillsatta för att öka viskositeten. Eftersom glykol faktiskt löser sig i vatten är denna vätska enfasig – till skillnad från emulsioner innehåller den inte separata vatten- och glykoldroppar när den undersöks under mikroskop. Vatten-glykol fungerar väl vid låga temperaturer.

Jämförelse mellan HFB-emulsion och vatten-glykol

Vid jämförelse av HFB-emulsion och vatten-glykol finner vi:

1. HFB-emulsionens stabilitet är sämre än vatten-glykolens lösning.
2. Stabil HFB-emulsion har bättre smörjegenskaper.
3. HFB-emulsion är billigare.
4. Vatten-glykol har bättre brandsäkerhet.
5. Vatten-glykol fungerar bättre vid låga temperaturer.

Problem med vattenbaserade hydraulvätskor

Användning av vattenbaserad brandhämmande vätska i ett hydraulreservoar skapar vissa problem. Två huvudsakliga problem för HFB-emulsionen är minskad komponentlivslängd och vattenväxling.

Smörjning med vattenbaserad vätska

Eftersom vattenbaserade brandhämmande vätskor innehåller en stor andel vatten för att uppnå brandhämmande egenskaper är deras smörjverkan mycket lägre än petroleumolja – detta är en inneboende brist.

Även om smörjningsadditiv och fettighetsadditiv ingår minskar de ändå komponentlivslängden i drift. På grund av denna negativa effekt används vattenbaserade brandhämmande vätskor i allmänhet inte i system som arbetar vid tryck över 1 800 psi (124 bar).

Av HFA-vätska, HFB-emulsion och vatten-glykol har den stabila HFB-emulsionen bäst smörjverkan; därefter följer vatten-glykol och sedan HFA.

Tabell 4-1 Relativa smörjminskningsfaktorer för vattenbaserade brandsäkra vätskor jämfört med petroleumolja. En högre faktor innebär större slitage på komponenter.

Vattenavandning

Många vätsketillverkare rekommenderar att den maximala drifttemperaturen för vattenbaserade hydraulvätskor bör vara 60 °C (140 °F) och helst hållas under 49 °C (120 °F). Över 60 °C (140 °F) kan överdriven vattenväxling uppstå.

När vatten avdunstar från den vattenbaserade vätskan sker flera oönskade saker. Vattenånga som lämnar vätskan kondenserar på oskyddade järnytor på komponenter och orsakar rost. Efter en tid lossnar rosten och blir en föroreningskälla i hela systemet.

Vattenbaserade vätskor innehåller i allmänhet rosthemmare, men alla oskyddade metallytorna som inte är nedsänkta i vätskan angrips av ångan från avdunstningen.

Brandmotståndet hos vattenbaserade vätskor beror på vattenhalten, så vattenavdunstning minskar brandmotståndet. Avdunstning påverkar också viskositeten – i vatten-glykol ökar viskositeten vid vattenförlust; i HFB-emulsion minskar viskositeten vid vattenförlust och kan göra emulsionen instabil. För att bibehålla optimalt brandmotstånd och lämplig viskositet måste vattenhalten i vattenbaserade brandsäkra vätskor kontrolleras regelbundet och hållas inom en smal koncentrationsområde.

Figur 4-11 Vattenavdunstning från vattenbaserade vätskor. Avdunstning minskar brandmotståndet, förändrar viskositeten och gör att ånga kan kondensera på metallytorna och orsaka rost.

Syntetisk brandsäker hydraulvätska (HFDR)

Syntetisk brandsäker hydraulvätska är en konstgjord olja som kännetecknas av sitt höga brandmotstånd, medan dess smörjegenskaper är liknande de hos petroleumolja. Den vanligaste syntetiska brandsäkra vätskan är fosfatestern.

Obs: Syntetisk eldfast vätska får inte blandas med silikonharer, silikateter, dibasiska syrater, polyol-esterföreningar, polyeter eller andra syntetiska vätskor. Dessa syntetiska föreningar kan ha specifika egenskaper som krävs för vissa applikationer, men de anses i allmänhet inte vara eldfasta.

Fosfatestervätska fungerar väl vid högt tryck och har utmärkt eldfasthet, men den är dyr. I högtryckssystem med krav på eldfasthet kan, på grund av kostnaden för fosfatestervätska, en blandning av fosfatestervätska och petroleumolja användas. Denna blandning har den smörjning som systemet kräver, men dess eldfasthet är inte lika bra som ren fosfatestervätska.

Jämförelse mellan vattenbaserade och syntetiska eldfasta vätskor

När man jämför vattenbaserade och syntetiska eldfasta vätskor:

6. Syntetiska vätskor har bättre smörjegenskaper och kan arbeta vid högre tryck.
7. Syntetiska vätskor är dyrare.
8. Syntetiska vätskor har bättre eldfasthet.
9. Fosfatestervätska har en flashpunkt på cirka 455 °F (235 °C), en brandspont på cirka 665 °F (352 °C) och en självantändningstemperatur på cirka 1 150 °F (621 °C).

Vattenbaserade vätskor visar inte brandmotstånd genom flashpunkt och brandspont – eftersom dessa vätskor innehåller vatten. Självantändningstemperaturen för vatten-glykol är cirka 1 100 °F (593 °C); för HFB-emulsionen är självantändningstemperaturen cirka 825 °F (440,6 °C).

Figur 4-14 Fyra typer av brandmotståndiga vätskor och deras lagringsdrummar. Från vänster: syntetisk (fosfatestervätska), fosfatestervätska-oljeblandning, HFB-emulsion och vatten-glykol.

Problem med brandmotståndiga hydraulvätskor

Användning av brandmotståndiga vätskor i hydraulsystem ger vissa problem, bland annat: kompatibilitet med tätningar och skyddslager, skumbildning och luftretention samt avsättning.

Kompatibilitet hos brandmotståndiga vätskor

Det vanligaste materialet för dynamiska tätningsringar i petroleumoljesystem är nitrilkautschuk (Buna-N). Detta material är också kompatibelt med HFB-emulsion och vatten-glykol. När ett system byter från petroleumolja till HFB-emulsion eller vatten-glykol behöver befintliga tätningsringar av nitrilkautschuk inte bytas ut. Vid byte till en syntetisk vätska, till exempel fosfatestersvätska, krävs dock utbyte av tätningsringar.

Vid byte från petroleumolja till en vattenbaserad hydraulvätska kan problem uppstå med skyddslager. Om insidan av reservoaren är skyddad med ett lager eller färg som är kompatibelt med petroleumolja kan den vattenbaserade vätskan lösa upp dessa skyddslager.

Vatten-glykol och vissa kemiska koncentrat är inkompatibla med vissa metaller. De kan orsaka korrosion av zink, kadmium, magnesium och vissa aluminiumlegeringar, vilket leder till bildning av limmig slagg som blockerar ventilöppningar och filter samt kan orsaka att ventilspolar fastnar. Därför rekommenderas det att komponenter som innehåller dessa metaller eller är belagda med dessa metaller inte används tillsammans med vatten-glykol. Sådana komponenter kan inkludera elektropläterade rör, zink- eller kadmiumpläterade filterskärmar, rörfittings och reservoarskärmhetsdelar.

Det vanliga nitrilgummiet som används som dynamiskt tätningsmaterial i petroleumoljesystem godtas inte av fosfatestersvätskor eller blandningar av fosfatestersvätskor – dessa vätskor kräver fluorogummi (Viton), epoxibaserat gummi eller andra kompatibla tätningsmaterial.

Syntetisk eldsvårskyddad vätska kan lösa upp färger och lacker som är kompatibla med petroleumolja, men den orsakar inte korrosion på de vanliga metallerna i ett hydraulsystem.

Skumbildning och luftretention i eldsvårskyddade vätskor

Jämfört med petroleumolja är vattenbaserade och syntetiska eldsvårighetsminskande vätskor mer benägna att behålla luft och skumma. När arbetsvätskan återvänder till reservoaren kräver den eldsvårighetsminskande vätskan längre tid i reservoaren för att frigöra alla ackumulerade luftbubblor.

Därför bör system som använder eldsvårighetsminskande vätskor ha en större reservoar än system som använder petroleumolja.

avsättning i eldsvårighetsminskande vätskor

När eldsvårighetsminskande vätska återvänder till reservoaren behåller den lättare flytande föroreningar jämfört med petroleumolja. Vätskan bör tillåta att alla lämpligt stora föroreningar sjunker till reservoarens botten, men i eldsvårighetsminskande vätskor sjunker föroreningarna inte lika lätt.

Därför bör det första man överväger när ett system använder eldsvårighetsminskande hydraulvätska vara att införa effektiva vätskefiltreringsåtgärder, och magnetfilter bör inte undervärderas.

Underhållsriktlinjer

Förvaring

Förvaring av brandhämmande hydraulvätska sker i princip på samma sätt som för petroleumolja – facklor bör förvaras liggande så att vatten inte samlas upp vid toppen och sipprar in.

För HFB-emulsionen finns ett ytterligare krav på förvaring: eftersom upprepad frysnings- och upptiningscykler påverkar dess stabilitet bör den noga skyddas mot fryser under förvaring.

Överföring av vätska från fackla till reservoar

Överföring av vätska från förvaringsfacklor till reservoaren är ett annat viktigt steg. Innan du tar bort facklans stopp rengör du facklans lock och förbereder all utrustning och verktyg som behövs för överföringsprocessen: flexibel slang, överföringspump, trichter, reservoarfiltret för påfyllning samt operatörens händer. Kontrollera att varumärket och viskositeten för vätskan i facklan är korrekta.

Om en överföringspump används för att transportera den brandhämmande vätskan måste du se till att det inte finns någon restvätska av annan typ kvar i pumpen och att pumpens material och kopplingar är kompatibla med vätskan.

Efter att brandsäkert vätskefyllning har gjorts i reservoaren bör den underhållas och övervakas med angivna intervall. Oljeunderhåll inkluderar: påfyllning till miniminivå, hantering av läckor och utbyte av filterelement.

Vattenbaserad hydraulvätska bör regelbundet kontrolleras för vattenhalt – koncentrationen måste hållas inom en mycket smal spann; annars påverkas viskositeten och brandsäkerheten.

Det rekommenderas i allmänhet inte att tillsätta vatten till en HFB-emulsion, eftersom detta kräver en ny emulgeringsprocess. Att tillsätta vatten till en vatten-glykol-lösning är vanligt, men detta bör inte göras genom att helt enkelt leda en trädgårdsslang in i reservoaren. Påfyllningsvattnet får inte innehålla mineralavlagringar som kan förorena systemet. Destillerat eller dejoniserat vatten är lämpligt för vatten-glykol-lösningar; mängden som ska tillsättas bör fastställas genom laboratorieanalys av oljeprovet.

* HFA används sällan i högtryckssystem på grund av mycket dålig smörjning; tryckgränsen är snarare en praktisk än en teknisk begränsning.