titulnyV prevádzke niektorých strojov a zariadení sa stretávame s požiadavkou na použitie ohňovzdorných, resp. ťažko zápalných kvapalín. Typickými situáciami sú, ak napríklad hydraulické kvapaliny prichádzajú do kontaktu so zápalným zdrojom, alebo povrchy zariadenia sú veľmi horúce, napríklad v oceliarňach, prípadne ak ide o výbušné prostredie, napríklad v baniach (ťažba uhlia) a v iných podobných prevádzkach. V takýchto prevádzkach bežné hydraulické kvapaliny, resp. mazacie oleje, nie sú vhodné.


Vysoké prevádzkové teploty a tlaky vyžadujú použitie ohňovzdorných, ťažko zápalných hydraulických kvapalín. Teplota samovznietenia (samozápalu) ťažko zápalných kvapalín je okolo 560 °C. Kvapaliny sa ťažko zapaľujú a zle horia. Ako ohňovzdorné, ťažko zápalné kvapaliny sa používajú vodné emulzie, syntetické kvapaliny na báze polyglykolov (PG), fosfátové estery (FE) a ďalšie kvapaliny. Každá kvapalina má charakteristické vlastnosti a pri výbere ich treba zohľadniť. Syntetické fosfátové estery sa používajú napríklad v systémoch EHC (Electro Hydraulic Controls) pre reguláciu parných, resp. plynových turbín.

Sortiment a vlastnosti ťažko zápalných kvapalín
V praxi sa stretávame s niekoľkými druhmi ťažko zápalných kvapalín, ktoré sú podľa ich chemického zloženia všeobecne klasifikované ako:
• Olejové (typ V/O) alebo vodné emulzie (O/V),
• Glykoly miešateľné s vodou (roztoky vodných polymérov),
• Syntetické kvapaliny, ktoré neobsahujú vodu.

* * * * *
Medzinárodná norma ISO 6743 – 4 pre hydraulické kvapaliny rozdeľuje ťažko zápalné kvapaliny do nasledujúcich tried:
• ISO-L-HFAE, olej vo vodných emulziách, obsahujú max. 20 % emulgačného oleja,
• ISO-L-HFAS, chemické vodné roztoky,
• ISO-L-HFB, voda v olejových emulziách, 60 % obsah oleja,
• ISO-L-HFC, roztoky voda/glykol/polyglykol,
• ISO-L-HFDR, syntetické fosfátové estery (bez vody),
• ISO-L-HFDS, chlórované uhľovodíky (bez vody),
• ISO-L-HFDT, zmes HFDR/HFDS,
• ISO-L-HFDU, syntetické kvapaliny (bez vody), iné ako fosfátové estery (FE). Sú to polyolestery (POE) alebo polyalkylenglykoly (PAG), ktoré sú viac rezistentné, ako HFDR, HFDS a HFDT.
* * * * *

V článku venujeme pozornosť ťažko zápalným kvapalinám typu HFA, HFC a najmä HFDR.

Syntetické kvapaliny, fosfátové estery HFDR
V prípade syntetických fosfátových esterov ide najmä o triarylfosfáty, ktorých tepelná stálosť je trvalá až do 175 °C. Z toho vyplýva, že z hľadiska oxidačných podmienok sú stále a lepšie ako ropné oleje. Majú vynikajúce protioderové a mazacie vlastnosti. Všeobecne treba poznamenať, že fosfátové estery sú hygroskopické, teda pohlcujú vlhkosť, vodu, čo je nevýhoda. V týchto prípadoch nastáva hydrolytická reakcia, hydrolýza a vytvárajú sa kyslé látky, fosforové kyseliny. Tieto reakcie prebiehajú neustále v prítomnosti najmä voľnej vody a vytvárajú kyseliny, čo môže viesť ku korózii, napríklad regulačných systémov a niekedy aj k ich poruche. Napriek tomu treba uviesť, že majú dobrú schopnosť odlučovať vodu a vzduch, čo je výhoda. V tejto súvislosti treba poznamenať, že fosfátové estery sú produktom esterifikácie. Esterifikačný proces je vratný proces, čo je v tomto prípade nevýhoda. Všeobecne platí, že čím je väčší obsah vody a vyššia teplota, tým rýchlejšie prebieha hydrolýza. Pozornosť treba venovať najmä obsahu vody. Voda v kvapaline, v oleji sa vyskytuje vo viazanej forme. Ide o stav, keď kvapalina je schopná vodu nasať a ukryť tak, že sa to ani nedá vizuálne zistiť. V stave nasýtenia (bod nasýtenia), sa už každá ďalšia voda vylučuje a kvapalina, olej sa zakalí, vzniká voľná voda. Za tohto stavu a za určitých podmienok môže vzniknúť emulzia typu voda v oleji (V/O), čo je už kritický stav. Preto je veľmi dôležité vykonať kontrolu, mať prehľad o tom, v akom stave sa voda v oleji nachádza. Ide o kontrolu, zistenie bodu nasýtenia (krivka nasýtenia) vody v kvapaline pri danej prevádzkovej teplote. V diagrame č. 1 sú uvedené hodnoty nasýtenia vody v ppm pri danej teplote pre niektoré druhy mazacích olejov, tomto prípade aj pre kvapaliny na báze fosfát esterov (Synthetic EHC Fluid).

diagram1
Diagram č. 1

 

Z diagramu č. 1 vyplýva, že obsah viazanej vody v kvapaline pri prevádzkovej teplote 40 °C môže byť až 4 000 ppm (0,4 %). To znamená, že kvapalina je schopná prijať uvedené množstvo vody, teda až 4 000 ppm, ktoré môžeme označiť ako bod nasýtenia vody v kvapaline. To znamená, že kvapalina do tohto bodu nie je zakalená a pri prekonaní tohto bodu nie je schopná prijať ďalšiu vodu, čo vedie k vzniku voľnej vody v kvapaline a prípadne aj k vytváraniu emulzie typu voda v oleji (V/O) tak, ako to už bolo uvedené. Na doplnenie, napríklad bod nasýtenia vody v turbínovom oleji je pri teplote 40 °C 100 ppm (0,01 %). Ide o údaj, ktorý treba rešpektovať.
Z uvedeného pre prax vyplynulo, že v prevádzke pri použití kvapalín na báze fosfát esterov sa odporúča maximálny obsah vody v rozsahu 1 500 až 2 000 ppm.
Na doplnenie uvádzame ďalšie údaje, hraničné limity, súvisiace s tribotechnickou diagnostikou kvapalín na báze fosfát esterov (EHC kvapalín):
• Kinematická viskozita pri 40 °C, mm2.s-1, v rozsahu 37,8 až 46,2
• Číslo kyslosti TAN, mgKOH/g, max. 0,3
• Obsah vody v rozsahu 1 500 (0,15 %) až 2 000 (0,2 %) ppm
• Trieda čistoty podľa ISO 14/10/9, max. 16/14/11
• Obsah chloridov, max. 150 ppm
• Objemový odpor, min. 4 G Ohm.cm

ilu1

Starostlivosť o ťažko zápalné kvapaliny HFDR v prevádzke
Ťažko zápalné syntetické kvapaliny, ktoré sú označené podľa normy ISO ako kvapaliny HFDR, si vyžadujú v prevádzke mimoriadnu pozornosť, a to najmä vtedy ak sa používajú v EHC kontrolných a riadiacich systémoch. Pre spoľahlivú prevádzku systémov EHC treba venovať pozornosť obsahu vody v kvapaline, číslu kyslosti AN, obsahu chloridov, ako aj objemovému mernému odporu (Volume Resistivity) v kvapaline (skúška podľa ASTM D 1169), resp. aj ďalším kvalitatívnym ukazovateľom.
Odporúčaná hodnota vody v rozsahu od 1 500 do 2 000 ppm je dosť vysoká a treba dávať pozor na to, aká je prevádzková teplota kvapaliny. Stáva sa, že úroveň obsahu vody je veľmi blízko k bodu nasýtenia. V tomto prípade je to často na okraji uvoľňovania voľnej vody, čo je kritické. Výhodné je stanoviť, porovnať, hodnotu koncentrácie vody v kvapaline s hodnotou nasýtenia, bodom nasýtenia vody v kvapaline. Obsah viazanej vody by mal mať tzv. bezpečnostnú hranicu, ktorá sa odporúča cca 30 % pod bodom nasýtenia vody v kvapaline, oleji. Podľa ďalšej informácie by mal byť obsah vody max. 750 ppm. Treba upozorniť, že merná hmotnosť (hustota) kvapaliny na báze fosfát esterov je vyššia, ako merná hmotnosť vody. Z toho vyplýva, že voľnú vodu môžeme odstraňovať len z povrchu hladiny kvapaliny a nie ako v prípade ropných mazacích olejov odkaľovaním zo dna nádrže. Na odstraňovanie vody sa v tomto prípade s výhodou používa najmä vákuová destilácia, dehydrácia.
Hraničná hodnota pre číslo kyslosti AN je stanovená na 0,3 mgKOH/g. Z praxe vyplýva, že táto hodnota je vysoká a mala by byť nižšia. Všeobecne sa odporúča hodnota v rozsahu od 0,05 do 0,1 mgKOH/g. Na znižovanie obsahu kyslých látok sa používajú absorpčné činidlá, napríklad hlinka (Fullers Earth) a iné vhodné prostriedky.
Okrem uvedených kvalitatívnych ukazovateľov sa odporúča venovať pozornosť aj objemovému mernému odporu (resistivite) kvapaliny, ktorý sa stanovuje podľa normy ASTM D 1169, kde je hraničná minimálna hodnota 4 GOhm.cm. Pri tejto hodnote môžu nastať určité problémy, naprílad leptanie materiálu ventilov a iné. Ako bezpečná úroveň sa preto odporúčajú hodnoty nad 6 G Ohm.cm. Na porovnanie, hodnoty čerstvej kvapaliny sú okolo 20 G Ohm.cm.
Vysoký obsah chloridov a nízka objemová rezistivita naznačuje vznik korózie, a to už pri hodnote obsahu chloridov vyššej ako 50 ppm, čo vedie k elektro kinetickému opotrebovaniu ventilov. Treba upozorniť, že tolerancie uloženia regulačných ventilov sú v rozsahu 2 μm až 8 μm. Z toho dôvodu sú do hydraulického okruhu zaraďované filtre s veľkosťou 3 až 5 μm, aby sa zabezpečila potrebná čistota hydraulických kvapalín. Podľa ISO 4406 ide o triedu čistoty max. 16/14/11. V samotnom regulačnom ventile okrem zmeny prietoku kvapaliny nastáva aj zmena tlaku. V mazacom systéme sa často nachádza vzduch, ktorý môže tvoriť vzduchové bublinky, čo vedie k vzniku mikrodieselingu.
Všeobecne môžeme uviesť, že mikrodieseling je spôsobený tlakovou a teplotnou degradáciou. Vzduchové bublinky sú prenášané z nízkej, resp. až zápornej tlakovej oblasti do vysoko tlakovej oblasti, kde prebieha adiabatická kompresia, vzniká teplo, a to vedie k zvýšeniu teploty kvapaliny. Tieto teploty sú veľmi vysoké, okolo 1 000 °C, čo vedie k degradácii, oxidácii kvapaliny a výsledkom sú karbonizačné vedľajšie produkty ako kaly, živice (laky) a všeobecne nastáva pokles životnosti a jej oxidačnej stability. Z tohto dôvodu sa na kontrolu živíc (lakov) odporúča použiť membránový test MPC (Membrane Patch Colorimetric). Ako hraničná hodnota sa uvádza ΔE = 30.
Pozornosť treba venovať aj prevádzkovej teplote ťažko zápalnej syntetickej kvapaliny HFDR, ktorá by mala byť okolo 65 °C. Maximálna prevádzková teplota by nemala prekročiť hodnotu 150 °C.

Syntetické kvapaliny HFC, roztoky voda a glykol
Syntetické kvapaliny HFC sú ohňovzdorné roztoky zložené z 35 až 45 percent vody a glykolu. Okrem toho obsahujú vo vode rozpustné zahusťovače na zlepšenie viskozity a protipenivé prísady, inhibítory hrdze a korózie, ako aj prísady zvyšujúce mazivosť. Ide o roztoky vodných polymérov. V porovnaní so syntetickými kvapalinami HFDR majú kvapaliny HFC nižšiu mazivosť. Pri nižších rýchlostiach a zaťažení majú dobrú odolnosť proti opotrebovaniu. Tesniace materiály, ktoré sa používajú pre ropné oleje, sú zlúčiteľné aj so syntetickými kvapalinami HFC. Čo sa týka ceny, HFC kvapaliny majú vyššiu cenu ako bežné mazacie oleje. Ďalšou nevýhodou je, že v prípade roztoku voda a glykol sa musí pravidelne kontrolovať obsah vody a podľa potreby dopĺňať na požadovanú hodnotu. Vyparovaním vody sa môže znížiť obsah niektorých prísad, čím sa môže znížiť životnosť kvapaliny a hydraulických prvkov. Ak tomu máme zabrániť, treba udržiavať čo najnižšiu prevádzkovú teplotu. Pozornosť treba venovať kvapalinám HFC a prípadnému kontaktu s niektorými kovmi. Ide najmä o kadmium, horčík a zinok. Všeobecne platí, že tieto kovy by nemali prísť do kontaktu s kvapalinami HFC.

ilu2

Emulzné kvapaliny HFA
Emulzné kvapaliny HFA sú všeobecne známe ako vodné roztoky, resp. vodné emulzie typu olej vo vode O/V. Emulzia je disperzná sústava, ktorú tvoria dve navzájom miešateľné kvapaliny (rozdielnej polarity), z ktorých jedna je rozptýlená v druhej vo forme jemných kvapiek. Pre uvedené dve kvapaliny sú teoreticky dve možnosti na vytvorenie typu emulzie olej vo vode (O/V) alebo voda v oleji (V/O). V prípade kvapaliny HFA je obsah olejovej zložky v rozsahu 5 až do 20 %. Kvapky upraveného emulgačného oleja sú rozptýlené, dispergované vo vode. Čím menšie sú kvapky oleja, o to je emulzia transparentnejšia. Bežné emulzie (mliečne) majú veľkosť kvapiek > 1,0 μm. Pri transparentných, mikroemulziách dosahuje veľkosť kvapiek 0,1 až 1,0 μm. Výhodou HFA kvapalín je, že sú lacné a priateľské k životnému prostrediu. Sú veľmi ohňovzdorné, ťažko zápalné a majú vynikajúce chladiace vlastnosti. Ak sú správne formulované, poskytujú dobrú ochranu proti korózii, hrdzi a sú vhodné pre trecie dvojice oceľ – oceľ. Z praxe je známe, že sa používajú napríklad ako hydraulické, emulzné kvapaliny pre banské stojky (výstuže). V porovnaní s kvapalinami z uvedených dvoch skupín majú horšie prevádzkové a výkonové vlastnosti. Ide napríklad o nižšiu viskozitu, hrúbku olejového filmu v porovnaní s klasickými mazacími olejmi. Veľkou nevýhodou je, že jednotlivé strojové časti musia vyhovovať požiadavkám pre použitie HFA kvapalín. Pri určitých prevádzkových podmienkach (nízke teploty) môže hydraulický systém zamŕzať, znižuje sa účinnosť prísad, čo je nevýhoda. Vysoké turbulencie vytvárajú bubliny (penenie) čo môže viesť k opotrebovaniu. Niektoré tesniace materiály sa degradujú vo vode, napríklad papier, korok a koža. Tieto sa teda nedajú použiť. Okrem uvedeného typu HFA kvapalín sa používajú aj kvapaliny s označením HFB. Ide o kvapaliny, vodné emulzie, ktoré obsahujú najmenej 40 percent vody a zvyšok tvorí olejová zložka. Tento typ kvapaliny sa používa najmä vo Veľkej Británii.

Nové vysokoteplotné kvapaliny
V súčasnosti sa začínajú uplatňovať fluorované syntetické kvapaliny. Ide o kvapaliny PFPE (perfluoropolyether), ktoré sú zložené z atómov uhlíka, kyslíka, fluóru, a používajú sa ako čisté kvapaliny, mazacie oleje, alebo v kombinácii so zahusťovadlom, napríklad PTFE (Teflón). PFPE je termooxidačná stabilná syntetická kvapalina s vysokým viskozitným indexom v rozsahu od 150 až do 360, má nízku odparnosť a používa sa v teplotnom rozsahu od – 90 °C do 250 až 300 °C. Treba pripomenúť, že ide o špeciálne mazacie prostriedky, ktoré nachádzajú uplatnenie v špecifických aplikáciách v strojárskom priemysle, resp. v potravinárskych strojoch a zariadeniach, ako potravinárske mazivá (NSF H 1) a elektrotechnickom priemysle. Doteraz nie sú známe potrebné skúsenosti pre ich použitie, ako ohňovzdorné, ťažko zápalné kvapaliny pre vyššie uvedené účely. Podľa ostatných informácií sa v súčasnosti venuje pozornosť aj syntetickým polyolesterom (POE), ako vhodným ohňovzdorným kvapalinám, typu HFDU podľa ISO. Ako dôvod sa uvádza nižšia cena v porovnaní s fosfátovými estermi, lepšia zlučiteľnosť s hydraulickým systémom, vyššia bezpečnosť, biologická odbúrateľnosť, ohľaduplnosť k životnému prostrediu a k obsluhe. Syntetické POE majú dlhšiu životnosť ako fosfátové estery. V tabuľke č. 1 uvádzame prehľad o kategóriách najviac používaných ohňovzdorných kvapalín.

diagram2
Tabuľka č. 1

 

Uvedený prehľad treba brať ako pomôcku pri výbere jednotlivých druhov ohňovzdorných, ťažko zápalných kvapalín. Všeobecne platí zásada, že sa neodporúča miešať kvapaliny aj keď sú rovnakej kategórie podľa ISO, a to najmä vtedy, ak sú od rôznych výrobcov.
Na záver treba pripomenúť niektoré praktické odporúčania pre spoľahlivosť hydraulických systémov pri použití HFC kvapalín. Treba si uvedomiť, že častice a nečistoty sú väčším problémom v prípade HFC kvapalín, ako v prípade ropných olejov. Je to z toho dôvodu, že priľnavosť – schopnosť polymérov zadržiavať jemné častice v suspenzii, je väčšia. Z toho dôvodu je potrebná zvýšená starostlivosť o častice, vyžaduje sa teda dobrá filtrovateľnosť kvapaliny. V prípade kontaminácie kvapalín HFC ropným olejom je tento stav pri vizuálnej kontrole (vzorka kvapaliny) čitateľný a viditeľný. Často ide o mliečny vzhľad (napríklad ružová mliečna emulzia). Mliečny vzhľad a vrstva ropného oleja na povrchu kvapaliny naznačuje tvorbu emulzie (olej/voda). Z toho dôvodu treba zabrániť kontaminácii kvapalín HFC s ropným olejom, resp. zabrániť zmiešaniu s bezvodnými hydraulickými kvapalinami a menej vhodnými HFC kvapalinami. Ohňovzdorné, ťažko zápalné kvapaliny majú špecifické použitie, a preto si vyžadujú zvýšenú pozornosť. Ide o záležitosti, ktoré súvisia s bezpečnosťou prevádzkových zariadení, ako aj samotnej obsluhy, ktorá pracuje v náročných podmienkach, v nebezpečnom prostredí, kde platia zvýšené protipožiarne opatrenia. Uvedené informácie mali poskytnúť prehľad o súčasnom stave v tejto náročnej prevádzkovo technickej oblasti a pomôcť pri výbere sortimentu ohňovzdorných kvapalín.

TEXT Jozef Stopka FOTO Jozef Stopka, archív redakcie