Condizioni operative ed esigenze ambientali hanno determinato una crescente necessità di fluidi non a base di petrolio.
Ogni sistema idraulico è caratterizzato da un fluido in circolazione tra i vari componenti (pompe, valvole e attuatori) che trasmette e controlla energia da un posto all’altro. Le densità a elevata potenza impongono al fluido non solo di trasmettere energia, ma di lubrificare, trasferire calore ed essere compatibile con vari materiali. Poiché il fluido idraulico universale o ideale non esiste, la sua selezione per una data applicazione è spesso frutto di un compromesso.
I problemi economici e ambientali hanno comportato nuovi oneri per i fluidi idraulici, a cui viene chiesto di contribuire a ridurre le perdite, essere filtrabili per una maggiore durata e per ridurre i costi di sostituzione e, se proprio dovessero verificarsi delle perdite, di non essere dannosi per l’ambiente. Gli osservatori industriali ritengono che i fluidi idraulici, in una percentuale che arriva all’85% lasciano alla fine il sistema in cui operano attraverso perdite ridotte ma costanti, catastrofiche rotture delle linee o malfunzionamenti di raccordi e tenute. Si stima che circa 7 milioni di barili di fluidi idraulici siano perduti ogni anno per una delle cause sopra citate.
Gli addetti ai lavori affermano che di tutti i problemi ai sistemi idraulici, una percentuale compresa tra il 70 e l’85% è direttamente collegata alla scelta sbagliata del fluido, oppure a un trattamento improprio o alla sua contaminazione. Poiché il numero di fluidi disponibili si è ampliato notevolmente, passando in pochi anni dai soli fluidi a base di petrolio a quelli sintetici a base d’acqua o di oli vegetali e addirittura alla semplice acqua, è importante che le proprietà del fluido utilizzato soddisfino le esigenze del sistema e quelle di tutela ambientale.
I fluidi idraulici si dividono in due categorie di base: gli inibitori di ruggine e ossidazione (R&0) e i fluidi anti-usura (Aw). I fluidi “R&0” vengono talvolta descritti come incapaci di evitare l’usura, ma questo è ingannevole in quanto possono fornire una protezione contro l’usura pur essendo spesso impiegati alle stesse temperature e pressione dei fluidi “Aw”. I fluidi “R&0” hanno livelli molto bassi, oppure nulli, di additivi anti-usura.
Contengono invece diversi inibitori di ruggine, ossidazione e corrosione, anti-schiumogeni e un riduttore del punto di fusione. Questi fluidi sono generalmente adatti alla maggior parte dei sistemi fino a 100 bar. Il loro utilizzo si basa soprattutto sulle necessità delle pompe e dei motori che fanno parte del sistema. I fluidi idraulici “Aw” contengono un livello molto più elevato di additivi anti-usura dei liquidi “R&O”. Poiché questi additivi impiegano un principio corrosivo per proteggere dall’usura, è necessario bilanciare l’attività anti-usura con additivi addizionali quali neutralizzatori di metallo e/o dispersori di detergenti.
Fluidi a base di petrolio
L’uso diffuso del termine “olio idraulico” riflette la preponderanza dei fluidi idraulici a base di petrolio. Ciò si deve non solo al fatto che vengano utilizzati da molto tempo, ma anche alla possibilità di modificarli per ottenere alcune delle proprietà tipiche di fluidi alternativi, quali una buona resistenza ignifuga e un buon controllo della viscosità, oltre a una soddisfacente biodegradabilità.
Il petrolio rappresenta una base molto funzionale per i fluidi industriali una volta raffinato e formulato con vari additivi per prevenire la ruggine, l’ossidazione, la formazione di schiuma e l’usura, sempre che il caldo, il freddo e il rischio d’infiammabilità non rappresentino dei fattori critici nell’applicazione.
Alcune caratteristiche fisiche e chimiche dei fluidi idraulici a base di petrolio sono dovute alla materia prima di base, mentre altre si devono agli additivi. Alcuni di questi ultimi apportano proprietà utili, altri accrescono quelle già presenti e altri ancora riducono l’intensità di fenomeni indesiderati. Oggigiorno praticamente tutti i fluidi idraulici contengono almeno un tipo di additivo, e molti ne hanno diversi. La quantità utilizzata varia da poche frazioni percentuali a più del 30%. In genere, non è necessario né positivo per l’utilizzatore aggiungere nuovi additivi.
La proprietà più importante di un fluido idraulico è probabilmente la viscosità, che però varia con la temperatura: cresce infatti quando la temperatura diminuisce e vice-versa. Oli idraulici diversi presentano differenti percentuali di cambiamento della viscosità sotto l’influenza della temperatura. L’indice di viscosità (Vi) è un sistema per assegnare un valore numerico a queste percentuali di cambiamento. L’uso di additivi che migliorano l’indice di viscosità consente la formulazione di oli che assicurano un buon livello di lubrificazione a una gamma di temperature molto più vasta di quella garantita dal semplice olio minerale. Gli additivi anti-usura vengono utilizzati per prevenire il contatto in componenti idraulici, soprattutto nelle pompe. La frizione viene ridotta, e le superfici a contatto possono muoversi molto più liberamente. L’usura viene ridotta in condizioni di leggero scorrimento; nel caso di forte scorrimento, l’additivo può venir degradato al punto da perdere completamente le proprie capacità anti-usura.
Se la temperatura di esercizio supera i 90 °C gli effetti catalitici dei metalli quali il ferro e il rame diventano un fattore importante nell’ossidazione dell’olio. In questa condizione vanno utilizzati degli inibitori per formare un rivestimento protettivo. Tuttavia, gli inibitori di ossidazione non arrestano completamente l’ossidazione dell’olio in condizioni d’esercizio particolarmente severe. La stabilità termica è la capacità di un olio di resistere al decadimento in condizioni di esposizione prolungata a elevate temperature, quando l’ossigeno è minimo. Il decadimento può palesarsi con un ispessimento dell’olio, un aumento dell’acidità, la formazione di residuo oppure con un insieme dei tre sintomi.
Lo sviluppo di acidi organici e l’ingresso di contaminanti nell’olio sono i due fattori principali che determinano la corrosione. I detergenti, i disperdenti e gli inibitori di corrosione aiutano a neutralizzare gli acidi e a mantenere pulito il sistema. Gli inibitori di ruggine possono venir usati nella maggior parte degli oli, ma la selezione va svolta con attenzione per evitare la corrosione di metalli non ferrosi o la formazione di emulsioni con l’acqua. Dato che gli inibitori di ruggine vengono assorbiti dalla superficie dei metalli, il passare del tempo tende a deteriorarli, in particolar modo in sistemi a caldo. I detergenti neutralizzano chimicamente i depositi che si formano in condizioni di alta temperatura.
I disperdenti sono composti chimici che disperdono o sospendono le particelle potenzialmente in grado di creare un residuo fangoso nell’olio. Non esiste una linea di demarcazione netta tra i detergenti e i disperdenti. Entrambi contribuiscono a prevenire il deposito di “vernici” dovute all’ossidazione dell’olio.
I polimeri di silicone (impiegati in poche parti per milione) e i polimetacrilati (usati a 50 volte quel livello) inibiscono la formazione di schiuma. Entrambi i materiali sono miscelabili all’olio, ma è importante scegliere correttamente le dimensioni dei polimeri se si vuole evitare la formazione di depositi in caso di stoccaggio a lungo termine.
Inoltre, una percentuale eccessiva di anti-schiumogeni può accrescere il trascinamento di aria nell’olio. L’importanza del punto di fusione dipende quasi esclusivamente dal tipo di utilizzo del fluido. Il punto di fusione di un fluido idraulico di grado invernale deve essere abbastanza basso da consentirgli di muovere verso l’aspirazione della pompa alla minor temperatura prevista. Non vi è alcun bisogno di un basso punto di fusione in un impianto riscaldato o in condizioni di servizio continue.
Fluidi a base sintetica
I fluidi a base sintetica vengono utilizzati sia per la loro durata che per i vantaggi da essi offerti in applicazioni con alte o basse temperature, e possono offrire una riduzione energetica fino al 7%. Le loro classificazioni di base, R&O e Aw sono identiche a quelle dei fluidi a base di petrolio. Anche la composizione degli additivi è simile, con la sola eccezione di alcune leggere modifiche tese a migliorare la solubilità dell’additivo o la sua compatibilità con gli elastomeri.
Esiste una gran varietà di fluidi a base sintetica, alcuni dei quali sono compatibili con gli oli a base di petrolio e i loro componenti mentre altri, quali gli esteri e i poliglicoli, richiedono speciali attenzioni. Le formulazioni a base di estere fosfato o estere presentano buone proprietà ignifughe, con un punto di infiammabilità molto elevato e caratteristiche di viscosità paragonabili a quelle dei fluidi a base di petrolio.
L’indice di viscosità è generalmente molto basso. Le prestazioni delle pompe devono in genere venir ridotte quando si utilizzano questi fluidi, ed è necessario impiegare speciali vernici e speciali tenute. Se questi fluidi vengono utilizzati in un sistema idraulico non concepito per loro, possono infine rendersi necessarie particolari considerazioni ingegneristiche.
Fluidi a base d’acqua
A causa del problema posto dagli incendi di bordo durante la II Guerra Mondiale, la marina degli Stati Uniti diede inizio a un programma per sviluppare fluidi idraulici resistenti al fuoco. I primi fluidi a base di acqua e glicole vennero sviluppati e commercializzati nel 1947.
Da allora, altre emulsioni e nuovi prodotti sintetici sono stati aggiunti ai fluidi disponibili per i sistemi idraulici. Va comunque chiarito che in certe condizioni questi fluidi si infiammano e non sono quindi ignifughi in senso stretto. Il contenuto di acqua, pari al 40-50% fornisce le proprietà ignifughe ai fluidi per sistemi idraulici a base di glicole e alle emulsioni di acqua e olio.
Le viscosità sono paragonabili a quelle dei fluidi a base di petrolio. Le temperature di esercizio vanno però mantenute al di sotto dei 60 °C per prevenire un’eccessiva evaporazione dell’acqua e per controllare la viscosità del fluido. Per ottenere una ragionevole durata di servizio possono rendersi necessarie delle modifiche a tenute e vernici, oltre alla riduzione delle prestazioni delle pompe. Gli additivi forniscono le proprietà desiderate nei fluidi idraulici.
Fluidi idraulici a base d’olio vegetale
Da diversi anni ormai si registra un crescente interesse per i fluidi idraulici non dannosi per l’ambiente in caso di perdita. La maggior parte degli oli a base di petrolio e a base sintetica degradano e non persistono nell’ambiente. Per ottenere una miglior biodegradabilità e una tossicità virtualmente nulla sono stati sviluppati negli ultimi anni i fluidi idraulici a base di oli vegetali. Le loro prestazioni si avvicinano a quelle dei fluidi a base di petrolio e il loro costo, pur essendo due, tre volte superiore a quello dei fluidi a base di petrolio, è inferiore di circa la metà a quello dei fluidi a base sintetica.
I fluidi a base di oli vegetali possiedono un indice di viscosità molto elevato, il che rappresenta un fattore positivo in applicazioni con temperatura variabile o alta. Possiedono anche una buona stabilità termica, compatibilità con gli additivi, bassa volatilità e punto di infiammabilità elevato.
Per contro, a confronto degli oli minerali per sistemi idraulici offrono minor stabilità idrolitica, scarse caratteristiche a bassa temperatura, scarsa risposta ai riduttori del punto di fusione e scarsa stabilità anti-ossidante. Tuttavia, nonostante questi difetti gli oli vegetali possono fornire delle ottime prestazioni, e non va dimenticato il vantaggio ambientale costituito dalla bassa tossicità in caso di perdita e il vantaggio dell’ampia e rinnovabile disponibilità.
L’acqua
Di tutti i fluidi per sistemi idraulici, l’acqua è senza dubbio il meno costoso e il più abbondante. In applicazioni appositamente concepite, costituisce una possibile alternativa ai fluidi idraulici convenzionali poiché ignifuga, ambientalmente sicura, a basso costo e meno comprimibile di altri fluidi.
A volte viene trattata con prodotti chimici prima dell’utilizzo. I problemi di corrosione, lubrificazione ed erosione dei macchinari e dei sistemi sono stati ridotti grazie all’utilizzo di rivestimenti protettivi, materiale indurito o auto-lubrificante e giochi ridotti. Nel sistema idraulico sono possibili pressioni superiori a 200 bar; inoltre gli accessori disponibili sono molti e comprendono pompe e motori a pistoni, valvole di arresto e di controllo e cilindri. L’acqua poi non necessita di un cambio regolare, sempre che venga impiegato un funzionale sistema di filtraggio.
di Stefano Serri
