Khi chúng ta sử dụng dầu gốc khoáng trong điều kiện bình thường, nguy cơ cháy nổ không quá cao — bởi vì dầu khoáng khó bắt cháy ở nhiệt độ phòng và có khả năng dập tắt ngọn lửa tương tự như que diêm gỗ. Tuy nhiên, khi các đường ống chịu áp lực cao xuất hiện những vết rò rỉ nhỏ, dầu sẽ phun ra dưới dạng sương mù mịn. Sương mù là một hỗn hợp dễ cháy cao và có thể bắt cháy rất dễ dàng — loại rò rỉ này có thể được xem như một bộ phun nhiên liệu.
Trong các môi trường công nghiệp có nguy cơ cháy, mối quan tâm hàng đầu là an toàn cho người lao động và khả năng duy trì sản xuất mà không xảy ra cháy ngoài ý muốn. Nếu môi trường có thể phát sinh các nguồn đánh lửa ngẫu nhiên, cần sử dụng các loại dầu thủy lực chống cháy. Việc sử dụng các loại dầu này làm tăng chi phí vận hành (dầu chống cháy đắt hơn dầu khoáng) và giảm tuổi thọ phục vụ của các bộ phận.
Mục đích của chương này là xác định các loại dầu thủy lực chống cháy thường được sử dụng trong hệ thống thủy lực, thảo luận một số vấn đề liên quan đến việc sử dụng chúng và đưa ra các hướng dẫn bảo trì.

Các loại dầu chống cháy không phải là bất cháy — như tên gọi của chúng gợi ý, chúng chỉ khó bắt cháy. Nếu một loại dầu chống cháy bị đun nóng đến nhiệt độ đủ cao, cuối cùng nó vẫn sẽ bắt cháy.
Khả năng chống cháy của một chất lỏng cụ thể được xác định bởi ba phép đo kỹ thuật: nhiệt độ chớp cháy, nhiệt độ cháy và nhiệt độ tự bốc cháy. Chất lỏng tham chiếu trong ba mô tả thử nghiệm dưới đây là dầu thủy lực gốc khoáng.
Nhiệt độ chớp cháy của một chất lỏng là nhiệt độ mà tại đó chất lỏng phải được đun nóng để giải phóng đủ hơi từ bề mặt nhằm bắt cháy khi tiếp xúc với ngọn lửa. Đối với dầu thủy lực gốc khoáng, nếu đun nóng đến 350–450°F (176,6–232,2°C), sẽ có đủ hơi thoát ra để bắt cháy khi tiếp xúc với ngọn lửa. Tuy nhiên, ngay sau khi ngọn lửa được loại bỏ, quá trình cháy sẽ ngừng lại.

Nhiệt độ cháy là nhiệt độ mà tại đó dầu phải được đun nóng để duy trì cháy liên tục ngay cả sau khi ngọn lửa thử nghiệm được loại bỏ. Ở trên nhiệt độ này, lượng hơi thoát ra từ bề mặt dầu đủ lớn để, một khi đã bắt cháy, dầu sẽ tiếp tục cháy tự duy trì ngay cả khi nguồn lửa đã được rút đi.
Nhiệt độ tự bốc cháy (AIT) là nhiệt độ tại đó dầu tự bốc cháy mà không cần ngọn lửa hoặc tia lửa bên ngoài. Đối với dầu thủy lực gốc khoáng, nếu được đun nóng đến 500–700°F (260–371°C), nó sẽ tự bốc cháy.

Các chất lỏng được phân loại là chống cháy có điểm chớp cháy, điểm cháy và nhiệt độ tự bốc cháy cao hơn so với dầu gốc khoáng.
Các chất lỏng chống cháy có thể được chia thành hai nhóm chính: dựa trên nước và tổng hợp.
Môi chất làm việc thủy lực đầu tiên là nước. Nước có một số nhược điểm (đặc biệt về khả năng bôi trơn), nhưng lại không bắt cháy, do đó phương pháp ban đầu khi yêu cầu tính chống cháy là đơn giản quay trở lại sử dụng nước. Tuy nhiên, vì vẫn cần một mức độ bôi trơn nhất định, người ta đã nhũ hóa dầu và nước với nhau.
Đây là một chất lỏng chống cháy dựa trên nước, được tạo thành từ nước và dầu. Đây không phải là một dung dịch — vì dầu và nước không hòa tan vào nhau. Trong chất lỏng này, dầu được phân tán thành những giọt cực kỳ nhỏ nhờ một chất nhũ hóa hóa học và phân bố đều trong pha nước làm môi trường mang, nhờ đó cải thiện khả năng bôi trơn của nó. Khi chất lỏng này tiếp xúc với ngọn lửa, nước chuyển thành hơi nước và dập tắt đám cháy.
Chất lỏng hai pha nước/dầu này được gọi là nhũ tương. Trong giai đoạn loại chất lỏng này được sử dụng rộng rãi, tỷ lệ tiêu biểu là 60% nước và 40% dầu, với nước là pha chính còn dầu tồn tại dưới dạng các giọt phân tán.

Đây là một loại chất lỏng chống cháy, trong đó nước là thành phần chính. Hiện nay, ngoại trừ các hệ thống bị thất thoát lượng lớn chất lỏng làm việc do rò rỉ, loại này hiếm khi được sử dụng trong các hệ thống thủy lực — các hệ thống sử dụng loại này đánh đổi tuổi thọ ngắn hơn của các bộ phận để đổi lấy một số lợi thế kinh tế nhất định, bởi vì nó tương đối rẻ (nước chiếm ít nhất 90% thành phần).
Một nhũ tương có hàm lượng dầu từ 1–10% được gọi là chất lỏng gốc nước cao (dung dịch dầu trong nước). Nếu ai đó nói hệ thống của họ sử dụng "dung dịch dầu 5%", điều đó có nghĩa là 95% nước và 5% dầu, hoặc tỷ lệ pha trộn hóa học là 95:5.

Các nhũ tương nước/dầu hiện đại được sử dụng trong hệ thống thủy lực là những chất lỏng màu trắng đục, gồm 60% dầu và 40% nước — tỷ lệ này đảo ngược so với loại HFA trước đây (60% nước và 40% dầu). Vì thành phần chính của loại chất lỏng này là dầu, còn nước tồn tại dưới dạng pha phân tán, nên nhũ tương HFB có khả năng bôi trơn tốt hơn HFA, nhưng khả năng chống cháy của nó giảm nhẹ.

Giống như dầu mỏ, độ nhớt là một tính chất quan trọng của nhũ tương nước/dầu. Vì chất lỏng HFA có hàm lượng nước ít nhất 90%, độ nhớt của nó về cơ bản tương đương với độ nhớt của nước — do đó làm cho nó trở thành một chất bôi trơn tương đối kém.
Mặt khác, mặc dù nhũ tương HFB được tạo thành từ khoảng 60% dầu, điều này không có nghĩa là độ nhớt của nó bằng độ nhớt của dầu nền. Do hiệu ứng cắt giữa hai pha, nhũ tương HFB thể hiện độ nhớt thấp hơn so với giá trị dự kiến. Để đảm bảo bôi trơn đầy đủ cho các bộ phận trong hệ thống, nhũ tương HFB được sử dụng cần có độ nhớt cao hơn so với dầu mỏ thường được dùng trong hệ thống. Ví dụ, nếu một hệ thống sử dụng dầu mỏ có độ nhớt 150 SUS (32 cSt) ở 100°F (37,7°C), thì nhũ tương HFB cần có độ nhớt là 375 SUS (80,9 cSt) ở 100°F (37,7°C).
Khi chất lỏng làm việc đi qua bơm thủy lực và hệ thống, hiệu ứng cắt giữa hai pha khiến nhũ tương HFB thể hiện hiện tượng giảm độ nhớt. Để đảm bảo các bộ phận được bôi trơn tốt, độ nhớt của nhũ tương HFB phải cao hơn độ nhớt của dầu mỏ thông thường dành cho hệ thống đó.
(Lưu ý: Các biểu đồ độ nhớt–nhiệt độ theo tiêu chuẩn ASTM không phù hợp để mô tả mối quan hệ giữa độ nhớt và nhiệt độ của bất kỳ nhũ tương nước/dầu nào hoặc các loại dầu thủy lực chống cháy thông dụng.)

Việc lưu trữ các chất lỏng thủy lực chống cháy dựa trên nước trong bể chứa có thể gây ra một số vấn đề. Đối với nhũ tương HFB, hai vấn đề chính là tách pha và sự phát triển của vi khuẩn.
Các nhũ tương HFB không được thiết kế để hoạt động ở nhiệt độ thấp. Ở 32°F (0°C), băng bắt đầu hình thành; ở khoảng -10°F (-23,3°C), nhũ tương đông đặc hoàn toàn. Các chu kỳ đóng băng–tan băng gây ra hiện tượng tách pha giữa hai pha: tại điểm đóng băng của nước (32°F / 0°C), một phần giọt nước trong nhũ tương đông đặc thành tinh thể băng. Khi hệ thống được làm ấm lên và băng tan ra, nhũ tương không nhất thiết tái tạo lại — lúc này chất lỏng khiến các bộ phận dễ bị gỉ hơn và không còn là chất bôi trơn tốt.
Các chu kỳ đóng băng–tan băng lặp đi lặp lại gây ra hiện tượng tách pha vĩnh viễn giữa pha nước và pha dầu. Một khi đã tách pha, việc đưa hai pha trở lại trạng thái nhũ tương là rất khó, nếu không muốn nói là không thể, và khả năng chống cháy trở thành vấn đề nghiêm trọng.

Kiểm tra bằng mắt thường được sử dụng để xác định xem nhũ tương đã bị tách pha hay chưa. Việc nhận biết việc tách pha giữa hai pha trong bể chứa là khá khó — hãy lấy một mẫu dầu, đổ vào chai miệng rộng và để yên trong một thời gian. Bạn sẽ quan sát thấy nước tự do lắng xuống đáy chai.
Nếu bạn nghi ngờ hiện tượng tách pha nghiêm trọng, hãy liên hệ với nhà cung cấp chất lỏng của bạn — họ có thể đề nghị thay thế chất lỏng.

Trong điều kiện nhiệt độ thích hợp, vi khuẩn có thể phát triển trong nhũ tương HFB. Số lượng lớn vi khuẩn có thể làm tắc nghẽn các lỗ tiết lưu của van điều khiển lưu lượng hoặc các phần tử lọc — tất cả những ảnh hưởng này đều khiến hệ thống trở nên thiếu tin cậy và vận hành sai chức năng.
Nhiều nhũ tương HFB chứa các phụ gia kháng khuẩn nhằm ngăn chặn hiện tượng này.

Sự phát triển của vi khuẩn trong nhũ tương HFB có thể được phát hiện bằng mắt thường và qua mùi. Nếu vi khuẩn đã phát triển trong chất lỏng, bộ lọc đầu vào sẽ trông như được phủ một lớp nhớt dính và chất lỏng sẽ phát ra mùi hôi.
Nếu có sự phát triển của vi khuẩn trong nhũ tương, chất lỏng có khả năng cần được thay thế.

Nước–glycol là một loại khác của chất lỏng chống cháy dựa trên nước. Chất này được tạo thành từ nước và glycol (ethylene glycol), và cấu trúc hóa học của nó rất giống với chất chống đông ô tô.
Nước–glycol thường có màu đỏ hoặc hồng. Thành phần tiêu chuẩn thường gồm 60% glycol và 40% nước, kèm theo các chất làm đặc hóa học để tăng độ nhớt. Vì glycol thực tế hòa tan hoàn toàn trong nước, nên loại chất lỏng này tồn tại ở dạng pha đơn — trái ngược với nhũ tương, khi quan sát dưới kính hiển vi, nó không chứa các giọt nước và glycol riêng biệt. Nước–glycol hoạt động tốt ở nhiệt độ thấp.

Khi so sánh nhũ tương HFB và nước–glycol, ta nhận thấy:

Việc sử dụng chất lỏng chống cháy gốc nước trong bể chứa thủy lực gây ra một số vấn đề. Hai vấn đề chính đối với nhũ tương HFB là tuổi thọ phục vụ của các bộ phận giảm và nước bay hơi.
Do các chất lỏng chống cháy gốc nước chứa tỷ lệ nước lớn để đạt được khả năng chống cháy, nên khả năng bôi trơn của chúng thấp hơn nhiều so với dầu khoáng — đây là một nhược điểm vốn có.
Mặc dù đã bổ sung các phụ gia bôi trơn và phụ gia tăng độ nhờn, nhưng chúng vẫn làm giảm tuổi thọ phục vụ của các bộ phận trong quá trình sử dụng. Do tác động bất lợi này, các chất lỏng chống cháy gốc nước nói chung không được sử dụng trong các hệ thống vận hành ở áp suất trên 1.800 psi (124 bar).
Trong số các loại chất lỏng HFA, nhũ tương HFB và nước-glycol, nhũ tương HFB ổn định có khả năng bôi trơn tốt nhất; tiếp theo là nước-glycol, sau đó là HFA.
|
Chất lỏng |
Hệ số giảm bôi trơn (so với dầu khoáng = 1,0) |
|
Dầu thủy lực gốc khoáng |
1.0 |
|
HFB (nhũ tương dầu trong nước) |
2.0 |
|
HFC (nước-glycol) |
2.6 |
Bảng 4-1 Các hệ số giảm bôi trơn tương đối đối với các chất lỏng chống cháy dựa trên nước so với dầu khoáng. Hệ số cao hơn nghĩa là mức độ mài mòn bộ phận càng lớn.
Nhiều nhà sản xuất chất lỏng khuyến nghị nhiệt độ vận hành tối đa đối với các chất lỏng thủy lực dựa trên nước nên ở mức 140°F (60°C) và lý tưởng nhất là giữ dưới 120°F (49°C). Ở trên 140°F (60°C), hiện tượng bay hơi nước quá mức có thể xảy ra.
Khi nước bay hơi khỏi chất lỏng dựa trên nước, một số hiện tượng không mong muốn sẽ xảy ra. Hơi nước thoát ra từ chất lỏng ngưng tụ trên các bề mặt kim loại sắt không được bảo vệ và gây ra gỉ sét. Sau một thời gian, lớp gỉ này bong ra và trở thành nguồn gây nhiễm bẩn trong toàn bộ hệ thống.
Các chất lỏng dựa trên nước nói chung chứa các chất ức chế gỉ, nhưng bất kỳ bề mặt kim loại nào không được ngâm trong chất lỏng đều sẽ bị hơi nước do bay hơi tấn công.
Khả năng chống cháy của các chất lỏng gốc nước phụ thuộc vào hàm lượng nước, do đó sự bay hơi nước làm giảm khả năng chống cháy. Sự bay hơi cũng ảnh hưởng đến độ nhớt — ở chất lỏng nước-glycol, việc mất nước làm tăng độ nhớt; còn ở nhũ tương HFB, việc mất nước làm giảm độ nhớt và có thể khiến nhũ tương trở nên không ổn định. Để duy trì khả năng chống cháy tối ưu và độ nhớt phù hợp, hàm lượng nước trong các chất lỏng chống cháy gốc nước phải được kiểm tra định kỳ và giữ ở trong một khoảng nồng độ hẹp.


Hình 4-11: Sự bay hơi nước từ các chất lỏng gốc nước. Sự bay hơi làm giảm khả năng chống cháy, thay đổi độ nhớt và cho phép hơi nước ngưng tụ trên bề mặt kim loại gây ra gỉ.
Dầu thủy lực tổng hợp chống cháy là loại dầu nhân tạo nổi bật nhờ khả năng chống cháy cao, đồng thời khả năng bôi trơn của nó gần tương đương với dầu mỏ. Loại dầu chống cháy tổng hợp được sử dụng phổ biến nhất là este phosphat.
Lưu ý: Dầu tổng hợp chống cháy không được trộn lẫn với nhựa silicone, este silicat, este axit dibazic, hợp chất este polyol, polyether hoặc các loại dầu tổng hợp khác. Những hợp chất tổng hợp này có thể sở hữu các tính chất đặc biệt cần thiết cho một số ứng dụng nhất định, nhưng nhìn chung chúng không được coi là chống cháy.
Dầu este phosphate hoạt động tốt ở áp suất cao và có khả năng chống cháy xuất sắc, tuy nhiên giá thành khá cao. Trong các hệ thống áp suất cao yêu cầu khả năng chống cháy, do chi phí của dầu este phosphate cao nên người ta có thể sử dụng hỗn hợp giữa este phosphate và dầu mỏ. Hỗn hợp này đáp ứng nhu cầu bôi trơn của hệ thống, nhưng khả năng chống cháy của nó không bằng dầu este phosphate nguyên chất.


Khi so sánh giữa dầu chống cháy gốc nước và dầu chống cháy tổng hợp:
Các loại chất lỏng gốc nước không thể biểu thị khả năng chống cháy thông qua điểm chớp cháy và điểm bắt lửa — bởi vì những chất lỏng này chứa nước. Nhiệt độ tự bốc cháy của hỗn hợp nước-glycol khoảng 1.100°F (593°C); đối với nhũ tương HFB, nhiệt độ tự bốc cháy khoảng 825°F (440,6°C).

Hình 4-14: Bốn loại chất lỏng chống cháy và các thùng chứa để lưu kho tương ứng. Từ trái sang: loại tổng hợp (phốtphat este), hỗn hợp phốtphat este-dầu, nhũ tương HFB và hỗn hợp nước-glycol.
Việc sử dụng chất lỏng chống cháy trong hệ thống thủy lực gây ra một số vấn đề nhất định, bao gồm: tính tương thích với gioăng làm kín và lớp phủ bảo vệ, hiện tượng tạo bọt và giữ không khí, cũng như lắng cặn.
Vật liệu phổ biến nhất dùng cho gioăng động trong các hệ thống dầu mỏ là cao su nitrile (Buna-N). Vật liệu này cũng tương thích với nhũ tương HFB và dung dịch nước-glycol. Khi hệ thống chuyển từ dầu mỏ sang nhũ tương HFB hoặc dung dịch nước-glycol, nếu các gioăng hiện có làm bằng cao su nitrile thì không cần thay thế. Tuy nhiên, nếu chuyển sang chất lỏng tổng hợp như este phosphate thì phải thay thế gioăng.
Khi chuyển từ dầu mỏ sang chất lỏng thủy lực gốc nước, có thể phát sinh vấn đề với các lớp phủ bảo vệ. Nếu bên trong bể chứa được bảo vệ bằng lớp phủ hoặc sơn tương thích với dầu mỏ, thì chất lỏng gốc nước có thể hòa tan những lớp phủ đó.
Dung dịch nước-glycol và một số chất cô đặc hóa học không tương thích với một số kim loại nhất định. Chúng có thể ăn mòn kẽm, cađimi, magiê và một số hợp kim nhôm, tạo ra xỉ dính làm tắc nghẽn các lỗ phun van và bộ lọc, đồng thời có thể gây kẹt trục van. Do đó, khuyến cáo không sử dụng các chi tiết chứa những kim loại này hoặc được mạ bằng những kim loại này cùng với dung dịch nước-glycol. Các chi tiết như vậy có thể bao gồm ống mạ điện, lưới lọc mạ kẽm hoặc cađimi, phụ kiện ống dẫn và phụ kiện bình chứa.
Vật liệu gioăng cao su nitrile thông dụng dùng cho gioăng động trong hệ thống dầu khoáng không phù hợp với este phốtphat hoặc hỗn hợp este phốtphat — những loại chất lỏng này yêu cầu sử dụng vật liệu gioăng tương thích như cao su fluoroelastomer (Viton), cao su gốc epoxy hoặc các vật liệu gioăng khác tương thích.
Chất lỏng tổng hợp chống cháy có thể hòa tan sơn và vecni tương thích với dầu khoáng, nhưng không ăn mòn các kim loại thông dụng trong hệ thống thủy lực.

So với dầu mỏ, các chất lỏng chống cháy gốc nước và tổng hợp dễ giữ không khí và tạo bọt hơn. Sau khi chất lỏng làm việc trở về bể chứa, chất lỏng chống cháy cần thời gian dài hơn trong bể chứa để giải phóng toàn bộ các bọt khí tích tụ.
Do đó, các hệ thống sử dụng chất lỏng chống cháy cần có bể chứa lớn hơn so với các hệ thống sử dụng dầu mỏ.

Khi chất lỏng chống cháy trở về bể chứa, nó dễ giữ lại các tạp chất nổi hơn so với dầu mỏ. Chất lỏng cần cho phép mọi tạp chất có kích thước phù hợp lắng xuống đáy bể chứa; tuy nhiên, trong chất lỏng chống cháy, các tạp chất không lắng xuống dễ dàng như vậy.
Do đó, khi một hệ thống sử dụng chất lỏng thủy lực chống cháy, điều đầu tiên cần xem xét là áp dụng các biện pháp lọc chất lỏng hiệu quả, và không nên bỏ qua bộ lọc từ tính.

Việc lưu trữ chất lỏng thủy lực chống cháy về cơ bản giống như đối với dầu mỏ — các thùng chứa nên được đặt nằm ngang để nước không đọng lại ở phần trên và ngấm vào bên trong.
Đối với nhũ tương HFB, có một yêu cầu lưu trữ bổ sung: do các chu kỳ đóng băng–tan băng lặp đi lặp lại ảnh hưởng đến độ ổn định của nó, nên cần đặc biệt chú ý để tránh để sản phẩm bị đông lạnh trong quá trình lưu trữ.
Việc chuyển chất lỏng từ thùng chứa lưu kho sang bể chứa là một bước quan trọng khác. Trước khi tháo nút bịt thùng, hãy làm sạch nắp thùng và chuẩn bị đầy đủ toàn bộ thiết bị và dụng cụ cần thiết cho quá trình chuyển: ống mềm, bơm chuyển, phễu, bộ lọc dùng khi đổ chất lỏng vào bể chứa, cũng như tay của người vận hành. Kiểm tra kỹ tên thương hiệu và độ nhớt của chất lỏng trong thùng để đảm bảo đúng yêu cầu.
Nếu sử dụng bơm chuyển để di chuyển chất lỏng chống cháy, cần đảm bảo rằng trong bơm không còn sót lại bất kỳ loại chất lỏng nào khác, đồng thời vật liệu chế tạo bơm và các chi tiết lắp ghép phải tương thích với loại chất lỏng này.

Sau khi chất lỏng chống cháy được đổ vào bể chứa, cần bảo trì và giám sát định kỳ theo các khoảng thời gian quy định. Việc bảo trì dầu bao gồm: bổ sung lên mức tối thiểu, xử lý rò rỉ và thay thế các bộ lọc.
Chất lỏng thủy lực gốc nước cần được kiểm tra định kỳ về hàm lượng nước — nồng độ phải được duy trì trong một dải rất hẹp; nếu không, độ nhớt và khả năng chống cháy sẽ bị ảnh hưởng.
Nói chung, không khuyến khích thêm nước vào nhũ tương HFB vì việc này đòi hỏi quá trình nhũ hóa lại. Việc thêm nước vào dung dịch glycol pha nước là phổ biến, nhưng không nên thực hiện đơn giản bằng cách dẫn vòi nước vườn trực tiếp vào bể chứa. Nước bổ sung không được chứa các cặn khoáng có thể gây nhiễm bẩn hệ thống. Nước cất hoặc nước khử ion phù hợp để sử dụng với các dung dịch glycol pha nước; lượng nước cần thêm phải được xác định dựa trên phân tích phòng thí nghiệm mẫu dầu.

CÁC KHÁI NIỆM CHÍNH – CHƯƠNG 4
|
Loại chất lỏng |
Mã |
Thành phần |
Áp suất tối đa |
Vấn đề chính |
|
Gốc nước cao |
HFA |
trên 90% nước, 1–10% dầu |
~700 bar* |
Khả năng bôi trơn kém; chi phí thấp |
|
Nhũ tương dầu trong nước |
HFB |
60% dầu, 40% nước |
< 124 bar |
Tách pha; vi khuẩn |
|
Nước-glycol |
HFC |
60% glycol, 40% nước |
< 124 bar |
Ăn mòn Zn/Cd/Mg; bay hơi |
|
Tổng hợp (este photphat) |
HFDR |
Tổng hợp nhân tạo |
Áp suất cao đạt yêu cầu |
Đắt; cần sử dụng gioăng làm kín bằng vật liệu Viton |
* Dầu HFA hiếm khi được sử dụng trong các hệ thống áp suất cao do khả năng bôi trơn rất kém; giới hạn áp suất ở đây chủ yếu là do hạn chế thực tiễn chứ không phải do giới hạn kỹ thuật.